JP2011508793A - Controlled modification of semiconductor nanocrystals - Google Patents

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ホワルトフ マルク
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Abstract

価数制御された半導体ナノクリスタルは、それと結合された所望の数の化合物を有することができる。該半導体ナノクリスタルは、それと結合された正確に1個の化合物を有することができ、該化合物は、親和性標的に対して正確に1個の結合部位を有することができる。該半導体ナノクリスタルは、細胞表面タンパク質の単一コピーをイメージ化するために用いることができる。
【選択図】なし
A valence-controlled semiconductor nanocrystal can have a desired number of compounds associated therewith. The semiconductor nanocrystal can have exactly one compound attached to it, and the compound can have exactly one binding site for an affinity target. The semiconductor nanocrystal can be used to image a single copy of a cell surface protein.
[Selection figure] None

Description

(優先権の主張)
本出願は2007年6月26日に出願の米国特許出願番号第60/946,281号及び2007年11月27日に出願の米国特許出願番号第60/990,485号に対して優先権を主張する。それぞれはその全体において本明細書中に引用により取り込まれている。
(連邦政府による資金提供を受けた研究又は開発)
アメリカ政府は、NIHグラント番号1U65-CA119349及び1P20GM072029-01に従って、本発明の特定の権利を有し得る。
(Claiming priority)
This application claims priority to US Patent Application No. 60 / 946,281 filed June 26, 2007 and US Patent Application No. 60 / 990,485 filed November 27, 2007. Each is incorporated herein by reference in its entirety.
(Research or development funded by the federal government)
The US government may have certain rights in this invention in accordance with NIH grant numbers 1U65-CA119349 and 1P20GM072029-01.

(技術分野)
本発明は、半導体ナノクリスタルの制御された修飾に関する。
(Technical field)
The present invention relates to controlled modification of semiconductor nanocrystals.

半導体ナノクリスタルは、可視及び近赤外波長、大きいモル吸光係数及び高量子収率を通じて調整可能な狭い発光スペクトルを有する光安定性蛍光団である。これらの特性により、半導体ナノクリスタルは、生物学的、生医学的及び環境的関係において、標識化及び光学的検出のための強力なツールとなる。半導体ナノクリスタルの異例な輝度及び光安定性は、それらに、単一分子レベルでの生物学的事象の分析に関して、大きな可能性を与える。しかし、細胞標識化用途のために設計される現状のナノクリスタルは、サイズ、非特異的結合、及び誘導体化能の間の相容れない調整に悩まされる。   Semiconductor nanocrystals are photostable fluorophores with narrow emission spectra that can be tuned through visible and near infrared wavelengths, large molar extinction coefficients, and high quantum yields. These properties make semiconductor nanocrystals a powerful tool for labeling and optical detection in biological, biomedical and environmental relationships. The unusual brightness and light stability of semiconductor nanocrystals give them great potential for the analysis of biological events at the single molecule level. However, current nanocrystals designed for cell labeling applications suffer from incompatible adjustments between size, non-specific binding, and derivatization ability.

一般に、ナノクリスタルは、有機配位子の層によって囲まれる無機ナノ粒子を含む。この有機配位子シェルは、処理、特定の他の部位への結合、様々な基板への結合のために、ナノクリスタルに欠かせないものである。ナノクリスタルは、アルキルホスフィン及びアルキルホスフィンオキシドなどの大過剰量の配位子を含むそれらの成長溶液中で、著しく劣化することなく長期間、保存することができる。最も多くの用途、特に水性用途のため、ナノクリスタルは、それらの成長溶液外で処理され、様々な化学的環境に移されなければならない。しかし、それらの成長溶液から取り出されるとき、ナノクリスタルは多くの場合、その高い蛍光性を失い、又は不可逆的に凝集される。   In general, nanocrystals comprise inorganic nanoparticles surrounded by a layer of organic ligands. This organic ligand shell is indispensable for nanocrystals for processing, bonding to certain other sites, bonding to various substrates. Nanocrystals can be stored for extended periods in their growth solutions containing large excesses of ligands such as alkyl phosphines and alkyl phosphine oxides without significant degradation. For most applications, especially aqueous applications, nanocrystals must be processed outside their growth solution and transferred to various chemical environments. However, when removed from their growth solution, nanocrystals often lose their high fluorescence or are irreversibly aggregated.

(要旨)
単一粒子追跡は、細胞表面タンパク質の動作について、アンサンブル平均の簡略化なしに先例のない理解を提供することができる。しかし、単一粒子追跡は、蛍光団の光退色、プローブ多価性、標識プローブのサイズ、及び標的からのプローブの解離によって複雑になる。半導体ナノクリスタルは、輝度及び光安定性の単一粒子追跡に関して固有の利点を有する。多価性は、一価ストレプトアビジンの単一コピーに結合する半導体ナノクリスタルを精製することによって回避することができる。半導体ナノクリスタルのサイズは、IgG抗体のそれと同等であり得る。プローブの解離は、ナノクリスタルを部位特異的ビオチン化細胞表面タンパク質に連結するために、一価ストレプトアビジンを用いることにより最小化されることができる。一価の半導体ナノクリスタルを用いて、例えば、シナプシスでの神経伝達物質レセプターをイメージ化し、野生型又は疾患関連変異体の低密度リポタンパク質レセプターの拡散を追跡することができる。
(Summary)
Single particle tracking can provide an unprecedented understanding of cell surface protein behavior without simplification of the ensemble average. However, single particle tracking is complicated by fluorophore photobleaching, probe multivalency, labeled probe size, and probe dissociation from the target. Semiconductor nanocrystals have inherent advantages with respect to brightness and photostability single particle tracking. Multivalency can be avoided by purifying semiconductor nanocrystals that bind to a single copy of monovalent streptavidin. The size of the semiconductor nanocrystal can be equivalent to that of an IgG antibody. Probe dissociation can be minimized by using monovalent streptavidin to link nanocrystals to site-specific biotinylated cell surface proteins. Monovalent semiconductor nanocrystals can be used, for example, to image neurotransmitter receptors in synapses and to follow the diffusion of wild-type or disease-related mutant low density lipoprotein receptors.

一態様において、価数制御された半導体ナノクリスタルを製造する方法は、半導体ナノクリスタルの集団を当該半導体ナノクリスタルに対して親和性を有する化合物と接触させ、化合物結合ナノクリスタルの分布を形成すること;及び、化合物結合ナノクリスタルの分布のメンバーを、それぞれのナノクリスタルに結合した化合物の数に従って分離することを含む。   In one aspect, a method for producing a valence-controlled semiconductor nanocrystal comprises contacting a population of semiconductor nanocrystals with a compound having an affinity for the semiconductor nanocrystal to form a distribution of compound-bound nanocrystals. And separating the members of the distribution of compound-bound nanocrystals according to the number of compounds bound to each nanocrystal.

当該方法は、ナノクリスタルと正確に1個の化合物が結合した、化合物結合ナノクリスタルの分布のメンバーを単離することを含むことができる。当該化合物は、配位子を選択的に結合することができる。当該化合物は、正確に1個の配位子を選択的に結合することができる。当該化合物は、アビジン又はストレプトアビジンであることができる。当該化合物は、一価のアビジン又は一価のストレプトアビジンであることができる。当該化合物は、ポリヒスチジンタグを含むことができる。当該化合物は、単鎖抗体などの、抗体であることができる。   The method can include isolating a member of the distribution of compound-bound nanocrystals in which exactly one compound is bound to the nanocrystal. The compound can selectively bind a ligand. The compound can selectively bind exactly one ligand. The compound can be avidin or streptavidin. The compound can be monovalent avidin or monovalent streptavidin. The compound can include a polyhistidine tag. The compound can be an antibody, such as a single chain antibody.

当該半導体ナノクリスタルは、式(I)の化合物を含む外部層を含むことができる:
R1-L1-R2-L2-R3
(I)式中、R1は、任意に1つ以上の-O-、-S-、-C(O)-、-N(R4)-又は-C(O)N(R4)-で中断され;かつヒドロキシ、チオール、アミノ、窒素酸化物、ホスフィン又はホスフィンオキシドから選択される2つ以上の基によって置換された、直鎖又は分枝鎖のC1-C10アルキル、アルケニル、又はアルキニル鎖である。L1は、-C(O)-、-N(R4)C(O)-、-C(O)N(R4)-、-O-、-N(R4)-、-O-N(R4)C(O)-、-C(O)N(R4)-O-又は-(CR5R6)n-である。R2は-[(CR5R6)n-X-(CR5R6)n]m-であり、XはO、S、C(=O)又はN(R4)であり;かつmは、範囲0〜20の整数である。L2は、-C(O)-、-N(R4)C(O)-、-C(O)N(R4)-、-O-、-N(R4)-、-O-N(R4)C(O)-、-C(O)N(R4)-O-又は-(CR5R6)n-である。R3は、-(CR5R6)p-R7であり、R7は-COOH、-OP(O)(OH)OH、アミノ、アルキルアミノ、ジアルキルアミノ又はトリアルキルアミノであり;かつpは、0、1、2、3、4、5、又は6である。R4は、H又はC1-C6アルキルである。各R5及び各R6は、独立に、H、ヒドロキシ、アミノ、チオ、ニトロ、アルキルアミノ、ジアルキルアミノ、アルキル、シクロアルキル、アルケニル、アルキニル、アルコキシ、アリール及びヘテロアリールから選択され;かつ各nは、独立に0、1、2、3、4、5、又は6である。
The semiconductor nanocrystal can include an outer layer comprising a compound of formula (I):
R 1 -L 1 -R 2 -L 2 -R 3
(I) in which R 1 is optionally one or more of -O-, -S-, -C (O)-, -N (R 4 )-or -C (O) N (R 4 )- Linear or branched C 1 -C 10 alkyl, alkenyl, or substituted with two or more groups selected from hydroxy, thiol, amino, nitrogen oxide, phosphine or phosphine oxide; Alkynyl chain. L 1 is -C (O)-, -N (R 4 ) C (O)-, -C (O) N (R 4 )-, -O-, -N (R 4 )-, -ON ( R 4 ) C (O) —, —C (O) N (R 4 ) —O— or — (CR 5 R 6 ) n —. R 2 is-[(CR 5 R 6 ) n -X- (CR 5 R 6 ) n ] m- , X is O, S, C (= O) or N (R 4 ); and m Is an integer in the range 0-20. L 2 is -C (O)-, -N (R 4 ) C (O)-, -C (O) N (R 4 )-, -O-, -N (R 4 )-, -ON ( R 4 ) C (O) —, —C (O) N (R 4 ) —O— or — (CR 5 R 6 ) n —. R 3 is — (CR 5 R 6 ) pR 7 , R 7 is —COOH, —OP (O) (OH) OH, amino, alkylamino, dialkylamino or trialkylamino; and p is 0, 1, 2, 3, 4, 5, or 6. R 4 is H or C 1 -C 6 alkyl. Each R 5 and each R 6 is independently selected from H, hydroxy, amino, thio, nitro, alkylamino, dialkylamino, alkyl, cycloalkyl, alkenyl, alkynyl, alkoxy, aryl and heteroaryl; and each n Are independently 0, 1, 2, 3, 4, 5, or 6.

別の態様において、単一粒子をイメージ化する方法は、親和性タグを細胞表面タンパク質に結合させること;該細胞を、該親和性タグに対して正確に1個の結合部位を有する正確に1個の化合物と結合した価数制御された半導体ナノクリスタルを含む組成物と接触させること;及び該細胞及び半導体ナノクリスタルを実質的に同時にイメージ化することを含む。   In another embodiment, the method of imaging a single particle comprises binding an affinity tag to a cell surface protein; the cell has exactly 1 binding site for the affinity tag. Contacting with a composition comprising a controlled valence semiconductor nanocrystal associated with a compound; and imaging the cell and the semiconductor nanocrystal substantially simultaneously.

該親和性タグは、ビオチンであることができる。親和性タグを細胞表面タンパク質に結合させることは、受容体ペプチド(AP)配列を含む融合タンパク質をビオチンリガーゼと接触させることを含むことができる。半導体ナノクリスタルは、正確に1個の一価アビジン又は正確に1個の一価ストレプトアビジンと結合することができる。   The affinity tag can be biotin. Binding the affinity tag to the cell surface protein can include contacting a fusion protein comprising a receptor peptide (AP) sequence with a biotin ligase. The semiconductor nanocrystal can bind to exactly one monovalent avidin or exactly one monovalent streptavidin.

該半導体ナノクリスタルは、上記の式(I)の化合物を含む外部層を含む。
式(I)の化合物は、下記式:

Figure 2011508793
又は下記式:
Figure 2011508793
を有することができる。 The semiconductor nanocrystal includes an outer layer comprising the compound of formula (I) described above.
The compound of formula (I) has the following formula:
Figure 2011508793
Or the following formula:
Figure 2011508793
Can have.

別の態様において、上記の式(I)の化合物を含む外部層を含む半導体ナノクリスタル。 R1は、HS-CH2CH2CH(SH)-(CH2)4-であることができる。R2は、ポリ(アルキレンオキシド)であることができる。R2は、ポリ(エチレングリコール)であることができる。R2は式-[CH2-O-CH2]m-を有することができ、mは約8である。R3は、-CH2-R7であることができ、R7はアミノ、アルキルアミノ、ジアルキルアミノ又はトリアルキルアミノである。R7は、-COOHであることができる。R3は、-CH2COOHであることができる。 In another embodiment, a semiconductor nanocrystal comprising an outer layer comprising a compound of formula (I) as described above. R 1 can be HS—CH 2 CH 2 CH (SH) — (CH 2 ) 4 —. R 2 can be poly (alkylene oxide). R 2 can be poly (ethylene glycol). R 2 can have the formula — [CH 2 —O—CH 2 ] m —, where m is about 8. R 3 can be —CH 2 —R 7 where R 7 is amino, alkylamino, dialkylamino or trialkylamino. R 7 can be —COOH. R 3 can be —CH 2 COOH.

いくつかの実施態様において、R1はHS-CH2CH2CH(SH)-(CH2)4-であり、R2はポリ(アルキレンオキシド)であり、かつR7は-COOH、アミノ、アルキルアミノ、ジアルキルアミノ又はトリアルキルアミノである。 In some embodiments, R 1 is HS-CH 2 CH 2 CH ( SH) - (CH 2) 4 - , R 2 is poly (alkylene oxide), and R 7 is -COOH, amino, Alkylamino, dialkylamino or trialkylamino.

該化合物は、下記式:

Figure 2011508793
又は下記式:
Figure 2011508793
を有することができる。 The compound has the following formula:
Figure 2011508793
Or the following formula:
Figure 2011508793
Can have.

本発明の他の特徴、目的及び効果は、下記説明及び図面から、並びに請求項から明らかになるであろう。   Other features, objects, and advantages of the invention will be apparent from the description and drawings, and from the claims.

図1Aは、半導体ナノクリスタルの光学的特性を表すグラフである。図1Bは、半導体ナノクリスタルの物理的特性を表すグラフである。FIG. 1A is a graph showing optical characteristics of semiconductor nanocrystals. FIG. 1B is a graph showing the physical properties of semiconductor nanocrystals. 図2Aは、半導体ナノクリスタルの静電的性質を表すグラフである。図2Bは、異なる配位子を有する半導体ナノクリスタルを用いた、電気泳動ゲルイメージである。FIG. 2A is a graph showing the electrostatic properties of semiconductor nanocrystals. FIG. 2B is an electrophoresis gel image using semiconductor nanocrystals with different ligands. 図3A〜3Eは、異なる半導体ナノクリスタルに曝された細胞の蛍光イメージ及び写真である。3A-3E are fluorescent images and photographs of cells exposed to different semiconductor nanocrystals. 図4Aは、半導体ナノクリスタルに対する色素の結合の模式図である。図4B〜4Cは、半導体ナノクリスタルの光学的特性を表すグラフである。図4D〜4Fは、ゲル濾過クロマトグラフィー時の標準試料及び半導体ナノクリスタルの溶出プロファイルを表すグラフである。FIG. 4A is a schematic diagram of the binding of a dye to a semiconductor nanocrystal. 4B-4C are graphs showing the optical properties of semiconductor nanocrystals. 4D to 4F are graphs showing elution profiles of standard samples and semiconductor nanocrystals during gel filtration chromatography. 図5は、細胞表面タンパク質を半導体ナノクリスタルで標識した模式図である。FIG. 5 is a schematic diagram in which cell surface proteins are labeled with semiconductor nanocrystals. 図6A〜6Cは、細胞の合成写真/蛍光イメージである。図6Dは、単一分子拡散係数を表すグラフである。6A-6C are synthetic photographs / fluorescence images of cells. FIG. 6D is a graph showing a single molecule diffusion coefficient. 図7Aは、電気泳動ゲルのイメージである。図7B〜7Eは、細胞の合成写真/蛍光イメージである。FIG. 7A is an image of an electrophoresis gel. 7B-7E are synthetic photographs / fluorescence images of cells. 図8Aは、細胞表面タンパク質を半導体ナノクリスタルで標識した模式図及びFRETを介した蛍光の検出である。図8Bは、細胞の蛍光イメージである。FIG. 8A is a schematic diagram in which cell surface proteins are labeled with semiconductor nanocrystals and fluorescence detection via FRET. FIG. 8B is a fluorescence image of the cells. 図9Aは、異なる親和性標識を有する半導体ナノクリスタルの模式図である。図9Bは、単一細胞表面タンパク質を単一半導体ナノクリスタルで標識した模式図である。FIG. 9A is a schematic diagram of semiconductor nanocrystals with different affinity labels. FIG. 9B is a schematic diagram in which a single cell surface protein is labeled with a single semiconductor nanocrystal. 図10A〜10Bは、正確に1個のストレプトアビジンと結合した半導体ナノクリスタルの単離を示す電気泳動ゲルのイメージである。Figures 10A-10B are images of electrophoresis gels showing the isolation of semiconductor nanocrystals bound to exactly one streptavidin. 図11Aは、半導体ナノクリスタルを示すAFM像である。図11Bは、細胞の蛍光イメージ及び写真である。FIG. 11A is an AFM image showing a semiconductor nanocrystal. FIG. 11B is a fluorescent image and photograph of the cells. 図12は、細胞の蛍光イメージ及び写真である。FIG. 12 is a fluorescent image and photograph of the cells. 図13は、細胞の蛍光イメージである。FIG. 13 is a fluorescence image of cells. 図14A〜14Bは、正確に1個の抗体と結合した半導体ナノクリスタルの単離を表す電気泳動ゲルのイメージである。図14Cは、細胞の蛍光イメージ及び写真である。14A-14B are images of electrophoresis gels representing the isolation of semiconductor nanocrystals bound to exactly one antibody. FIG. 14C is a fluorescent image and photograph of the cells. 図15A〜15Bは、細胞の蛍光イメージ及び写真である。15A-15B are fluorescent images and photographs of the cells. 図16は、細胞表面タンパク質を半導体ナノクリスタルで標識した模式図である。FIG. 16 is a schematic diagram in which cell surface proteins are labeled with semiconductor nanocrystals. 図17は、細胞の一連の蛍光イメージ及び写真である。FIG. 17 is a series of fluorescent images and photographs of cells. 図18は、細胞の蛍光イメージ及び写真である。FIG. 18 is a fluorescent image and photograph of the cells.

(詳細な説明)
細胞イメージングの究極の目的は、生きている細胞において単一生体分子の変化を観察することである。インビトロでの単一分子イメージングは、miRNA又はウイルス粒子などの低含量の生体分子を検出し、感度において究極点となるその能力を証明している(例えば、Neely, L.A.らの論文, (2006). Nat. Methods 3, 41-46;及びAgrawal, A.らの論文, (2006). Anal. Chem. 78, 1061-1070を参照されたい。その各々は、全体において引用により取り込まれている。)。インビトロでの単一分子イメージング方法は、酵素の回転率の間の一時的な配座変化、及び光の回折限界より小さいキネシンステップを検出し、アンサンブル方法に固有の平均化も回避する。例えば、English, B.P.らの論文 (2006). Nat. Chem. Biol. 2, 87-94; Kusumi A.らの論文 (2005). Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 34, 351-378;及びYildiz, A., Selvin,P.R. (2005). Acc. Chem. Res. 38, 574-582を参照されたい。その各々は、全体において引用により取り込まれている。一方、細胞の単一分子イメージング(例えば、Saxton,M.J., Jacobson,K. (1997). Annu.Rev.Biophys.Biomol.Struct. 26, 373-399、それは全体において引用により取り込まれている。)は大きな挑戦であり、色素又は蛍光タンパク質からの弱くかつ不安定な蛍光シグナルに対して不変の戦いが行われている(例えば、Tardin,C.らの論文 (2003). EMBO J. 22, 4656-4665;Lommerse, P.H.らの論文 (2004). Biophys.J. 86, 609-616;及びDouglass,A.D., Vale,R.D. Cell 121, 937-950を参照されたい。その各々は全体において引用により取り込まれている。)。色素標識化Fab分子は一価であるが、薄暗く、容易に退色し、かつ弱い結合を示す。幾つかのケースにおいて、全反射照明蛍光(TIRF)顕微鏡を用いて、単一蛍光タンパク質を生きた哺乳動物細胞中において検出している。しかし、その蛍光は通常10秒以内に退色する。金粒子又はラテックスビーズは、安定な単一粒子イメージングを可能にするが、通常、直径30-500nmである。近年、金サイズは、光散乱でなく金照射時の局部加熱を検出することによって5nmに減少している(例えば、Lasne, D.らの論文 (2006). Biophys.J. 91, 4598-4604を参照されたい。それは全体において引用により取り込まれている。)。これは有望な進展であるが、5nmは金の核を意味し、その後、それは不動態化され、一次及び二次抗体に結合された。
(Detailed explanation)
The ultimate goal of cell imaging is to observe single biomolecule changes in living cells. In vitro single molecule imaging has proven its ability to detect low levels of biomolecules such as miRNA or viral particles and become the ultimate in sensitivity (eg, Neely, LA et al., (2006) Nat. Methods 3, 41-46; and Agrawal, A. et al., (2006). Anal. Chem. 78, 1061-1070, each of which is incorporated by reference in its entirety. ). In vitro single molecule imaging methods detect temporary conformational changes during enzyme turnover, and kinesin steps below the diffraction limit of light, avoiding the averaging inherent in ensemble methods. For example, English, BP et al. (2006). Nat. Chem. Biol. 2, 87-94; Kusumi A. et al. (2005). Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 34, 351-378; And Yildiz, A., Selvin, PR (2005). Acc. Chem. Res. 38, 574-582. Each of which is incorporated by reference in its entirety. On the other hand, single molecule imaging of cells (eg Saxton, MJ, Jacobson, K. (1997). Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 26, 373-399, which is incorporated by reference in its entirety). Is a major challenge, and an unchanging battle against weak and unstable fluorescent signals from dyes or fluorescent proteins is under way (eg, Tardin, C. et al. (2003). EMBO J. 22, 4656). -4665; Lommerse, PH et al. (2004). Biophys. J. 86, 609-616; and Douglass, AD, Vale, RD Cell 121, 937-950, each of which is incorporated by reference in its entirety. .) Dye-labeled Fab molecules are monovalent, but are dim, easily fade, and exhibit weak binding. In some cases, a total reflection illumination fluorescence (TIRF) microscope is used to detect a single fluorescent protein in living mammalian cells. However, the fluorescence typically fades within 10 seconds. Gold particles or latex beads allow for stable single particle imaging, but are typically 30-500 nm in diameter. In recent years, gold size has been reduced to 5 nm by detecting local heating during gold irradiation rather than light scattering (see, for example, Lasne, D. et al. (2006). Biophys. J. 91, 4598-4604. (It is incorporated by reference in its entirety.) This is a promising development, but 5nm meant a gold nucleus, after which it was passivated and bound to primary and secondary antibodies.

半導体ナノクリスタルは、細胞の単一分子の変化を追跡する際に特定の利点を提供する。単一半導体ナノクリスタルは、TIRFを必要とすることなく、広い領域の蛍光顕微鏡で容易に認識されるだけの十分な輝度があり、極めて光安定性である(Gao, X.らの論文 (2005). Curr.Opin.Biotechnol. 16, 63-72、それは全体において引用により取り込まれている。)。しかし、半導体ナノクリスタルは、サイズ、ナノクリスタルと対象タンパク質との不安定な結合、及びナノクリスタル多価性(すなわち、ナノクリスタルが複数の標的とクロスリンクし得るような、ナノクリスタル上の多数の標的結合部位の存在)の問題に悩まされている。例えば、Groc, L.らの論文 (2004). Nat.Neurosci. 7, 695-696;Howarth, M.らの論文 (2005). Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A. 102, 7583-7588;及びJaiswal, J. K.及びSimon, S. M. (2004) Trends Cell Biol. 14[9], 497-504を参照されたい、その各々は全体において引用により取り込まれている。常用のナノクリスタルは直径20-30nmであり、それはサイトゾル又はシナプシスなどの混雑した細胞位置において拡散を低下し得る。ナノクリスタルと標的タンパク質との不安定な結合は、通常数分でその標的から解離する一価抗体に起因する。これは、生細胞の最も動的なプロセスを正確に追跡するのには短すぎる(Schwesinger, F.らの論文 (2000). Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A. 97, 9972-9977を参照されたい。これは全体において引用により取り込まれている。)。   Semiconductor nanocrystals offer certain advantages in tracking single molecule changes in cells. Single semiconductor nanocrystals are extremely light-stable with sufficient brightness to be easily recognized by a wide-range fluorescence microscope without the need for TIRF (Gao, X. et al. (2005 Curr. Opin. Biotechnol. 16, 63-72, which is incorporated by reference in its entirety.). However, semiconductor nanocrystals have a size, unstable bond between the nanocrystal and the protein of interest, and nanocrystal multivalency (i.e., a large number of nanocrystals on the nanocrystal such that the nanocrystal can cross-link with multiple targets). The problem of the presence of target binding sites. For example, Groc, L. et al. (2004). Nat. Neurosci. 7, 695-696; Howarth, M. et al. (2005). Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102, 7583-7588; See Jaiswal, JK and Simon, SM (2004) Trends Cell Biol. 14 [9], 497-504, each of which is incorporated by reference in its entirety. Conventional nanocrystals are 20-30 nm in diameter, which can reduce diffusion in crowded cell locations such as cytosol or synapses. The unstable binding of the nanocrystal to the target protein is usually due to a monovalent antibody that dissociates from its target in a few minutes. This is too short to accurately track the most dynamic processes in living cells (see Schwesinger, F. et al. (2000). See Proc. Natl. Acad. Sci. USA 97, 9972-9977. (This is incorporated by reference throughout.)

ナノクリスタルの多価性(金ナノ粒子などの他のナノ粒子も同様)は、重大な懸案事項である:表面タンパク質の架橋結合は、シグナル経路を活性化させ、細胞骨格との接触を促進することによって、レセプター移動度を低下させ得る。例えば、Klemm, J.D.らの論文 (1998). Annu.Rev.Immunol. 16, 569-592;及びIino, R.らの論文 (2001). Biophys. J. 80, 2667-2677を参照されたい。それらは全体において引用により取り込まれている。ナノクリスタルの過剰添加は、架橋問題の完全な解決にはならない。なぜなら、標的タンパク質が1つのナノクリスタルから解離し、別のナノクリスタルに架橋し得るからである。また、例えばリサイクリングエンドソーム中の標的タンパク質のプールは、ナノクリスタルの初期パルス(initial pulse)に接近することができず、別のナノクリスタル上の表面に到達し、かつその遊離結合部位に架橋し得る。可能な架橋結合に対する完全溶解は、一様に単一結合部位を有するナノ粒子を要求する。   The multivalency of nanocrystals (as well as other nanoparticles such as gold nanoparticles) is a significant concern: cross-linking of surface proteins activates signal pathways and promotes contact with the cytoskeleton As a result, the receptor mobility can be reduced. See, for example, Klemm, J.D. et al. (1998). Annu. Rev. Immunol. 16, 569-592; and Iino, R. et al. (2001). Biophys. J. 80, 2667-2677. They are incorporated by reference in their entirety. The excessive addition of nanocrystals does not completely solve the cross-linking problem. This is because the target protein can dissociate from one nanocrystal and crosslink to another nanocrystal. Also, for example, the pool of target proteins in the recycling endosome cannot access the initial pulse of the nanocrystal, reach the surface on another nanocrystal and crosslink to its free binding site. obtain. Complete dissolution for possible cross-linking requires nanoparticles with uniformly single binding sites.

一価のナノ粒子を調製する1つの方法は、異なる数のDNA配位子からの移動度シフトによる電気泳動分離に基づくものである。例えば、Fu, A.らの論文 (2004). J.Am.Chem.Soc. 126, 10832-10833;Qin, W.J., Yung, L.Y. (2005). Langmuir 21, 11330-11334;及びAckerson, C.J.らの論文 (2005). Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A. 102, 13383-13385を参照されたい。その各々は全体において引用により取り込まれている。DNAに基づくタンパク質価数を制御する方法は、ナノ粒子があまり大きくない場合、その後にDNAの除去を必要とするであろう。別の方法は、ポリスチレンビーズ上の低密度官能性部位に基づくものであり、粒子上の1つの配位子が配位子結合のために活性化され得る(例えば、Sung, K.M.らの論文 (2004). J.Am.Chem.Soc. 126, 5064-5065;及びWorden, J.G.らの論文 (2004). Chem.Commun.(Camb.) 518-519を参照されたい。その各々は全体において引用により取り込まれている。)。この方法は、〜60%に一価性を与えるのみであった。ニッケルアフィニティーカラムを用いる、His6タグ化ペプチドの数に準じた金ナノ粒子の精製が示されている。しかし、一価及び多価粒子の溶出プロファイルにおいて大幅な重なりがあった(Levy, R.らの論文 (2006). Chembiochem. 7, 592-594、それは全体において引用により取り込まれている。)。別の方法は、ビオチン化上皮成長因子(EGF)などの配位子を、ストレプトアビジン-ナノクリスタルに半化学量論的比率で加えることである。大部分のナノクリスタルは、EGFを結合せず、幾つかは1つのEGFを結合し、2つのEGF分子を結合することはほとんどない(Lidke, D.S.らの論文 (2005). J.Cell Biol. 170, 619-626、それは全体において引用により取り込まれている。)。これはナノクリスタルの非効率的な使用であり、ビオチン化配位子が2以上のビオチン基を含む場合、ナノクリスタルは互いに架橋し得る。 One method for preparing monovalent nanoparticles is based on electrophoretic separation by mobility shift from different numbers of DNA ligands. For example, Fu, A. et al. (2004). J. Am. Chem. Soc. 126, 10832-10833; Qin, WJ, Yung, LY (2005). Langmuir 21, 11330-11334; and Ackerson, CJ et al. (2005). See Proc.Natl.Acad.Sci.USA 102, 13383-13385. Each of which is incorporated by reference in its entirety. Methods for controlling protein valency based on DNA will require subsequent DNA removal if the nanoparticles are not very large. Another method is based on low density functional sites on polystyrene beads, where one ligand on the particle can be activated for ligand binding (see, eg, Sung, KM et al. ( 2004) J. Am. Chem. Soc. 126, 5064-5065; and Worden, JG et al. (2004). Chem. Commun. (Camb.) 518-519, each of which is cited in its entirety. Is taken in.) This method only gave monovalence to ˜60%. The purification of gold nanoparticles according to the number of His 6 tagged peptides using a nickel affinity column is shown. However, there was a significant overlap in the elution profiles of monovalent and multivalent particles (Levy, R. et al. (2006). Chembiochem. 7, 592-594, which is incorporated by reference in its entirety). Another method is to add a ligand such as biotinylated epidermal growth factor (EGF) to the streptavidin-nanocrystal in a substoichiometric ratio. Most nanocrystals do not bind EGF, some bind one EGF, and rarely bind two EGF molecules (Lidke, DS et al. (2005). J. Cell Biol. 170, 619-626, which is incorporated by reference in its entirety.) This is an inefficient use of nanocrystals and if the biotinylated ligand contains more than one biotin group, the nanocrystals can crosslink with each other.

生細胞の単一分子イメージングのための半導体ナノクリスタルの最適な設計は、固有の課題である。ナノ粒子は、複数の連結戦略、低い非特異的結合、少ない流体力学的サイズ、高量子収率、及び広いpH範囲に渡って凝集のない水分散を形成する能力を通じて、容易な誘導体化を特徴とするであろう。   Optimal design of semiconductor nanocrystals for single-molecule imaging of living cells is an inherent challenge. Nanoparticles feature easy derivatization through multiple linking strategies, low non-specific binding, low hydrodynamic size, high quantum yield, and the ability to form agglomeration-free water dispersion over a wide pH range Would be.

現在、単一分子細胞イメージングのために使用するナノクリスタルの優位な種類は、合成から疎水性表面配位子を保持し、両親媒性ポリマーシェル内にカプセル化されるものである。例えば、Wu, X.らの論文 Nature Biotechnol. 2003, 21, 41-46;Medintz, I.らの論文 Nature Mater. 2005, 4, 435-446;Zhou, M.らの論文 Bioconjugate Chem. 2007, 18, 323-332;Dahan, M.らの論文 2003, 302, 442-445;及びCourty, S.らの論文 Nano. Lett. 2006, 6, 1491-1495を参照されたい。その各々は全体において引用により取り込まれている。このようなカプセル化されたナノクリスタルは、高量子収率(QY)の利益を得る。しかし、ポリマーシェルはわずか4-6nmの無機コア/シェル直径のため、約20-30nmの大きな集合を形成する(例えば、Smith, A. M.らの論文 Phys. Chem. Chem. Phys. 2006, 8, 3895-3903を参照されたい。それは全体において引用により取り込まれている。)。ポリマーで被覆したナノクリスタルのサイズは、多くの場合、標識化された標的より非常に大きく、生物学的イメージングにおいて、ナノクリスタルの広範囲使用の大きな障害であった。これは、標識化タンパク質の機能を潜在的に妨げ、ニューロンシナプシスなどの障害空間へのアクセスを制限する。例えば、Howarth, M.らの論文 PNAS. 2005, 102, 7583-7588;及びGroc, L.らの論文 Nat Neurosci 2004, 7, 695-696を参照されたい。その各々は全体において引用により取り込まれている。さらに、多くの場合、両親媒性ポリマー被覆は高度に充填される。これは細胞膜への非特異的結合の原因となり、低いバックグラウンドが必須の単一粒子イメージングとって不適当なものとする。非特異的吸着は、ポリマーカプセル化ナノクリスタルのPEG化を介して緩和されることができるが、これは更にナノ粒子サイズを増加させる(例えば、Bentzen, E. L.らの論文 Bioconjugate Chem. 2005, 16, 1488-1494を参照されたい。それは全体において引用により取り込まれている。)。リン脂質又はシリカシェルで被覆されたナノクリスタルも、生体系において用いられているが、固有の大きなサイズについて同様の制限、及びかさ高いPEG不動態化層の必要性という欠点がある。例えば、Dubertret, B.らの論文 Science 2002, 298, 1759-1762;及びParak, W.らの論文 2002, 14, 2113-2119を参照されたい。その各々は全体において引用により取り込まれている。   Currently, the dominant class of nanocrystals used for single molecule cell imaging are those that retain a hydrophobic surface ligand from synthesis and are encapsulated within an amphiphilic polymer shell. For example, Wu, X. et al. Nature Biotechnol. 2003, 21, 41-46; Medintz, I. et al. Nature Mater. 2005, 4, 435-446; Zhou, M. et al. Bioconjugate Chem. 2007, 18, 323-332; Dahan, M. et al. 2003, 302, 442-445; and Courty, S. et al. Nano. Lett. 2006, 6, 1491-1495. Each of which is incorporated by reference in its entirety. Such encapsulated nanocrystals benefit from high quantum yield (QY). However, polymer shells form large aggregates of about 20-30 nm due to the inorganic core / shell diameter of only 4-6 nm (see, for example, Smith, AM et al. Phys. Chem. Chem. Phys. 2006, 8, 3895 -3903, which is incorporated by reference in its entirety.) The size of polymer-coated nanocrystals was often much larger than labeled targets, which was a major obstacle to widespread use of nanocrystals in biological imaging. This potentially interferes with the function of the labeled protein and restricts access to disordered spaces such as neuronal synapses. See, for example, Howarth, M. et al., PNAS. 2005, 102, 7583-7588; and Groc, L. et al., Nat Neurosci 2004, 7, 695-696. Each of which is incorporated by reference in its entirety. Furthermore, in many cases, the amphiphilic polymer coating is highly filled. This causes non-specific binding to the cell membrane, making it unsuitable for single particle imaging where low background is essential. Non-specific adsorption can be mitigated through PEGylation of polymer-encapsulated nanocrystals, which further increases nanoparticle size (see, for example, Bentzen, EL et al. Bioconjugate Chem. 2005, 16, (See 1488-1494, which is incorporated by reference in its entirety.) Nanocrystals coated with phospholipids or silica shells are also used in biological systems, but suffer from similar limitations on the inherent large size and the need for a bulky PEG passivation layer. See, for example, Dubertret, B. et al., Science 2002, 298, 1759-1762; and Parak, W. et al., 2002, 14, 2113-2119. Each of which is incorporated by reference in its entirety.

ネイティブな疎水性被覆を、メルカプト酢酸(MAA)などのカルボン酸エステルを含んだ小分子配位子で置換することにより、ナノクリスタルのサイズを大きく減少させ、同時に誘導体化能を維持することができる。例えば、Aldana, J.らの論文 J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 8844-8850;Mattoussi, H.らの論文 J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 12142-12150;Kim, S.の論文 Bawendi, M. G., J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 14652-14653;及びAlgar, W. R.の論文 Krull, U. J., 2006, 22, 11346-11352を参照されたい。その各々は全体において引用により取り込まれている。そのようなナノクリスタルは、わずか〜6-8nmの流体力学的直径(HD)を有するにもかかわらず、それらは弱い配位子-ナノクリスタル相互作用のため、本質的に不安定であり得、周囲条件下において数時間の時間スケールでナノクリスタル沈殿を生じる。例えば、Smith, A. M.らの論文 Phys. Chem. Chem. Phys. 2006, 8, 3895-3903;及びAldana, J.らの論文 J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 8844-8850を参照されたい。その各々は全体において引用により取り込まれている。さらに、ナノクリスタルを水分散性にするために必要なカルボキシラート基のイオン化は、酸性状態下で不安定性を生じ、また、細胞への非特異的結合を促進する(Bentzen, E. L.らの論文 Bioconjugate Chem. 2005, 16, 1488-1494;及びXue, F.らの論文 Journal of Fluorescence 2007, 17, 149-154、その各々は全体において引用により取り込まれている。)。さらに、このようなモノチオール系配位子で配位子交換されるナノクリスタルは、量子収率の大きな減少を被る(Smith, A. M.らの論文 Phys. Chem. Chem. Phys. 2006, 8, 3895-3903、それは全体において引用により取り込まれている。)。ジヒドロリポ酸(DHLA)などのジチオール配位子は、配位子解離に対してより安定であるが、それでも、弱酸性条件下で沈殿するナノクリスタルを形成する。例えば、Mattoussi, H.らの論文 J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 12142-12150;及びPons, T.らの論文 J. Phys. Chem. B 2006, 110, 20308-20316を参照されたい。その各々は全体において引用により取り込まれている。さらに、DHLA被覆ナノクリスタルは、高い非特異的結合を示し、単一粒子追跡用途で使用できない。様々な長さのPEGを有するDHLAのエステルでの配位子交換は、水溶液中で非常に安定であり、かつ生細胞イメージングに適したナノクリスタルを形成した(例えば、Uyeda, H. T.らの論文 J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 3870-3878を参照されたい。それは全体において引用により取り込まれている。)。しかし、これらのDHLA-PEGナノクリスタルのヒドロキシル末端表面は、温和条件下で、例えば、細胞上のレセプター標識化のための標的化生体分子との効率的かつ選択的な共有結合誘導体化のための官能性を欠いている。   Replacing the native hydrophobic coating with a small molecule ligand containing a carboxylic ester such as mercaptoacetic acid (MAA) can greatly reduce the size of the nanocrystals while maintaining derivatization capability. . For example, Aldana, J. et al., J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 8844-8850; Mattoussi, H. et al., J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 12142-12150; See S. paper Bawendi, MG, J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 14652-14653; and Algar, WR paper Krull, UJ, 2006, 22, 11346-11352. Each of which is incorporated by reference in its entirety. Although such nanocrystals have a hydrodynamic diameter (HD) of only ~ 6-8 nm, they can be inherently unstable due to weak ligand-nanocrystal interactions, Nanocrystal precipitation occurs on a time scale of several hours under ambient conditions. See, for example, Smith, AM et al., Phys. Chem. Chem. Phys. 2006, 8, 3895-3903; and Aldana, J. et al., J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 8844-8850. I want. Each of which is incorporated by reference in its entirety. In addition, the ionization of the carboxylate group necessary to make the nanocrystals water-dispersible results in instability under acidic conditions and promotes nonspecific binding to cells (Bentzen, EL et al. Bioconjugate Chem. 2005, 16, 1488-1494; and Xue, F. et al. Journal of Fluorescence 2007, 17, 149-154, each of which is incorporated by reference in its entirety. Furthermore, nanocrystals that are ligand-exchanged with such monothiol-based ligands suffer a significant decrease in quantum yield (Smith, AM et al., Phys. Chem. Chem. Chem. Phys. 2006, 8, 3895). -3903, which is incorporated by reference in its entirety.) Dithiol ligands such as dihydrolipoic acid (DHLA) are more stable to ligand dissociation, but still form nanocrystals that precipitate under mildly acidic conditions. See, for example, Mattoussi, H. et al., J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 12142-12150; and Pons, T. et al., J. Phys. Chem. B 2006, 110, 20308-20316. I want. Each of which is incorporated by reference in its entirety. Furthermore, DHLA coated nanocrystals show high non-specific binding and cannot be used in single particle tracking applications. Ligand exchange with esters of DHLA with various lengths of PEG formed nanocrystals that were very stable in aqueous solution and suitable for live cell imaging (e.g. Uyeda, HT et al. J Am. Chem. Soc. 2005, 127, 3870-3878, which is incorporated by reference in its entirety. However, the hydroxyl-terminated surface of these DHLA-PEG nanocrystals under mild conditions, for example, for efficient and selective covalent derivatization with targeted biomolecules for receptor labeling on cells Lacks sensuality.

2つの共通に使用されるナノクリスタル誘導体化戦略は、アミノ及びカルボキシル官能基間の1-エチル-3-(3-ジメチルアミノプロピル)カルボジイミド(EDC)及びN-ヒドロキシスクシンイミド(NHS)を媒介した架橋カップリングなどの一般の生物共役化方法を用いるナノクリスタルの直接共有結合修飾、及びナノクリスタル上への静電的又は金属親和性相互作用を介した生体分子の自己組織化である。例えば、Wu, X.らの論文 Nature Biotechnol. 2003, 21, 41-46;Yan Zhangらの論文 Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 4936-4940;及びGoldman, E. R.らの論文 J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 6378-6382を参照されたい。その各々は全体において引用により取り込まれている。ポリマー/リン脂質/シリカシェルにカプセル化されたナノクリスタルは、通常、共有結合的連結によって誘導体化される。DHLA又はDHLA-PEGでキャップされたナノクリスタルは、His6にタグ化生体分子とナノクリスタルの金属表面との金属-親和性相互作用を用いる連結に影響されやすく、配位生体分子のナノクリスタル発光及び官能性を保持する安定抱合体をもたらす(例えば、Medintz, I. L., Nature Mater. 2003, 2, 630-638を参照されたい。それは全体において引用により取り込まれている。)。現在、単一ナノ粒子上の共有結合及びHis6-タグ結合能力を組み合わせ、同時に小サイズ、低非特異的結合、及び溶液安定性の特性を維持する、強力な戦略が欠如している。 Two commonly used nanocrystal derivatization strategies are 1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide (EDC) and N-hydroxysuccinimide (NHS) mediated crosslinking between amino and carboxyl functional groups Direct covalent modification of nanocrystals using common bioconjugation methods such as coupling, and self-assembly of biomolecules via electrostatic or metal affinity interactions on the nanocrystal. See, for example, Wu, X. et al. Nature Biotechnol. 2003, 21, 41-46; Yan Zhang et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 4936-4940; and Goldman, ER et al. See Am. Chem. Soc. 2002, 124, 6378-6382. Each of which is incorporated by reference in its entirety. Nanocrystals encapsulated in a polymer / phospholipid / silica shell are usually derivatized by covalent linkage. Nanocrystals capped with DHLA or DHLA-PEG are susceptible to linkage using metal-affinity interactions between His 6- tagged biomolecules and the metal surface of the nanocrystals, and nanocrystal emission of coordinated biomolecules And results in stable conjugates that retain functionality (see, eg, Medintz, IL, Nature Mater. 2003, 2, 630-638, which is incorporated by reference in its entirety). Currently, there is a lack of a powerful strategy that combines the covalent and His 6 -tag binding capabilities on a single nanoparticle while maintaining the properties of small size, low non-specific binding, and solution stability.

ナノクリスタル配位子は、1つ以上の配位原子を含む第1部分、1つ以上の親水基を含む第2部分、及び1つ以上のイオン性基を含む第3部分を含むことができる。配位原子は、例えば、N、O、P又はSであることができる。配位原子は、配位基(例えば、アミン、窒素酸化物、アルコール、カルボキシラート、チオカルボキシラート、ホスフィン、ホスフィンオキシド、チオール等)に含まれることができる。親水基は、例えば、アルコキシド、アミン、チオール、アルコール、カルボキシラート、ケトン、アルデヒド等を含むことができる。イオン性基は、静電気荷電を有する基又は水性環境下で静電的に荷電され得る基であることができる。典型的なイオン性基は、アミン(例えば、一級、二級、三級、及び四級アミン)、カルボキシラート、アルコール、チオールなどを含む。   The nanocrystal ligand can include a first portion that includes one or more coordination atoms, a second portion that includes one or more hydrophilic groups, and a third portion that includes one or more ionic groups. . The coordinating atom can be, for example, N, O, P or S. A coordinating atom can be included in a coordinating group (eg, amine, nitrogen oxide, alcohol, carboxylate, thiocarboxylate, phosphine, phosphine oxide, thiol, etc.). Hydrophilic groups can include, for example, alkoxides, amines, thiols, alcohols, carboxylates, ketones, aldehydes, and the like. An ionic group can be a group having electrostatic charge or a group that can be electrostatically charged in an aqueous environment. Typical ionic groups include amines (eg, primary, secondary, tertiary, and quaternary amines), carboxylates, alcohols, thiols, and the like.

幾つかの実施態様において、配位子の第1部分、第2部分及び第3部分は各々、異なる前駆体化合物から誘導される。第1部分は2、3、4、5、6つ以上の配位原子など、2つ以上の配位原子を含むことができる。幾つかの実施態様において、第1部分は、2つの配位原子を有する。第2部分は、ポリ(エチレングリコール)又はポリ(プロピレングリコール)から実質的に誘導されることができる。   In some embodiments, the first, second and third portions of the ligand are each derived from a different precursor compound. The first portion can include two or more coordination atoms, such as 2, 3, 4, 5, 6 or more coordination atoms. In some embodiments, the first portion has two coordinating atoms. The second portion can be substantially derived from poly (ethylene glycol) or poly (propylene glycol).

R1-L1-R2-L2-R3 (I)
式中、R1は、任意に1つ以上の-O-、-S-、-C(O)-、-N(R4)-又は-C(O)N(R4)-で中断され;かつ、ヒドロキシ、チオール、アミノ、窒素酸化物、ホスフィン又はホスフィンオキシドから選択される2つの以上基によって置換された、直鎖又は分枝鎖のC1-C10アルキル、アルケニル、又はアルキニル鎖である。
R 1 -L 1 -R 2 -L 2 -R 3 (I)
Wherein R 1 is optionally interrupted by one or more of -O-, -S-, -C (O)-, -N (R 4 )-or -C (O) N (R 4 )-. And a straight or branched C 1 -C 10 alkyl, alkenyl, or alkynyl chain substituted by two or more groups selected from hydroxy, thiol, amino, nitrogen oxide, phosphine or phosphine oxide is there.

L1は、-C(O)-、-N(R4)C(O)-、-C(O)N(R4)-、-O-、-N(R4)-、-O-N(R4)C(O)-、-C(O)N(R4)-O-又は-(CR5R6)n-である。
R2は-[(CR5R6)n-X-(CR5R6)n]m-であり、XはO、S、C(=O)又はN(R4)であり;かつmは、範囲0〜20の整数である。
L 1 is -C (O)-, -N (R 4 ) C (O)-, -C (O) N (R 4 )-, -O-, -N (R 4 )-, -ON ( R 4 ) C (O) —, —C (O) N (R 4 ) —O— or — (CR 5 R 6 ) n —.
R 2 is-[(CR 5 R 6 ) n -X- (CR 5 R 6 ) n ] m- , X is O, S, C (= O) or N (R 4 ); and m Is an integer in the range 0-20.

L2は、-C(O)-、-N(R4)C(O)-、-C(O)N(R4)-、-O-、-N(R4)-、-O-N(R4)C(O)-、-C(O)N(R4)-O-又は-(CR5R6)n-である。
R3は、-(CR5R6)p-R7であり、R7は-COOH、-OP(O)(OH)OH、アミノ、アルキルアミノ、ジアルキルアミノ又はトリアルキルアミノであり;かつpは、0、1、2、3、4、5、又は6である。
R4は、H又はC1-C6アルキルである。
L 2 is -C (O)-, -N (R 4 ) C (O)-, -C (O) N (R 4 )-, -O-, -N (R 4 )-, -ON ( R 4 ) C (O) —, —C (O) N (R 4 ) —O— or — (CR 5 R 6 ) n —.
R 3 is — (CR 5 R 6 ) p —R 7 , R 7 is —COOH, —OP (O) (OH) OH, amino, alkylamino, dialkylamino or trialkylamino; and p Is 0, 1, 2, 3, 4, 5, or 6.
R 4 is H or C 1 -C 6 alkyl.

各R5及び各R6は、独立に、H、ヒドロキシ、アミノ、チオ、ニトロ、アルキルアミノ、ジアルキルアミノ、アルキル、シクロアルキル、アルケニル、アルキニル、アルコキシ、アリール及びヘテロアリールから選択される。かつ各nは、独立に0、1、2、3、4、5、又は6である。 Each R 5 and each R 6 is independently selected from H, hydroxy, amino, thio, nitro, alkylamino, dialkylamino, alkyl, cycloalkyl, alkenyl, alkynyl, alkoxy, aryl and heteroaryl. Each n is independently 0, 1, 2, 3, 4, 5, or 6.

幾つかの実施態様において、配位子は、下記式を有することができる:

Figure 2011508793
式中、nは範囲1〜100、1〜50又は1〜20である。nの値は約8である。すなわち、配位子の個々の分子は整数値のみを有することができるが、配位子のバルク試料においては、nは整数値の分布を有することができ、nの平均値が約8である。 In some embodiments, the ligand can have the following formula:
Figure 2011508793
Where n is in the range 1-100, 1-50 or 1-20. The value of n is about 8. That is, the individual molecules of the ligand can only have integer values, but in the bulk sample of the ligand, n can have an integer value distribution and the average value of n is about 8. .

アミン又はカルボキシ官能基末端DHLA-PEGでナノクリスタルを被覆するための効率的手段を記載する。これらのナノクリスタルは、優れた光物理学的特性、及びカプセル化されたナノクリスタルより実質的に小さいサイズを有する。これらのナノクリスタルは、標的細胞の標識化用途のために、共有結合形成及びHis6-タンパク質カップリングを介して連結されることができる。これらのDHLA-PEG誘導体化ナノクリスタルの量子収率(QY)は、合金ZnCd1-xSxシェルを介して強化され、配位子交換後に、45%と同程度のQYを与えた。これらのナノクリスタルは、細胞への非常に低い非特異的結合を示し、優れたpH安定性を有する。また、当該ナノクリスタルを、その輸送が冠状動脈疾患の予防に重要な役割を有するタンパク質である低密度リポタンパク質レセプターを標的とすることにより、生細胞イメージングのために使用した。加えて、高親和性及び低価数架橋としてストレプトアビジンの一価変異体を用い、ナノクリスタルを、特異的にビオチン化されたレセプターに安定して連結させる、ナノクリスタル標的化のためのビオチンリガーゼの使用を記載する(例えば、Howarth, M.らの論文 PNAS. 2005, 102, 7583-7588; 及びHowarth, M.らの論文 Nat Meth 2006, 3, 267-273を参照されたい。その各々は全体において引用により取り込まれている。)。 An efficient means for coating nanocrystals with amine or carboxy functional group terminated DHLA-PEG is described. These nanocrystals have excellent photophysical properties and a size substantially smaller than encapsulated nanocrystals. These nanocrystals can be linked via covalent bond formation and His 6 -protein coupling for target cell labeling applications. The quantum yield (QY) of these DHLA-PEG derivatized nanocrystals was enhanced through the alloy ZnCd1-xSx shell, giving a QY as high as 45% after ligand exchange. These nanocrystals exhibit very low non-specific binding to cells and have excellent pH stability. The nanocrystals were also used for live cell imaging by targeting the low density lipoprotein receptor, a protein whose transport has an important role in preventing coronary artery disease. In addition, a biotin ligase for nanocrystal targeting that uses a monovalent variant of streptavidin as a high affinity and low valent bridge to stably link nanocrystals to specifically biotinylated receptors (See, for example, Howarth, M. et al. PNAS. 2005, 102, 7583-7588; and Howarth, M. et al. Nat Meth 2006, 3, 267-273, each of which Incorporated by reference throughout.)

ナノクリスタルコアは、高温の配位剤中で有機金属前駆体を熱分解することによって調製されることができる。例えば、Murray, C.B.らの論文 J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 8706, 及びMikulec, F., Ph.D. Thesis, MIT, Cambridge, 1999を参照されたい。その各々は全体において引用により取り込まれている。裸のナノクリスタルコア上のシェル層の成長は、従来のオーバーコーティング手順の単純な変更によって実施されることができる。例えば、 Peng, X.らの論文 J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 7019, Dabbousi, B.O.らの論文 J. Phys. Chem. B 1997, 101, 9463, 及びCao, Y. W. 及びBanin, U. Angew. Chem. Int. Edit. 1999, 38, 3692を参照されたい。その各々は全体において引用により取り込まれている。   Nanocrystal cores can be prepared by pyrolyzing organometallic precursors in a high temperature coordinating agent. See, for example, Murray, C.B. et al., J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 8706, and Mikulec, F., Ph.D. Thesis, MIT, Cambridge, 1999. Each of which is incorporated by reference in its entirety. Growth of the shell layer on the bare nanocrystal core can be performed by a simple modification of the conventional overcoating procedure. For example, Peng, X. et al., J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 7019, Dabbousi, BO et al., J. Phys. Chem. B 1997, 101, 9463, and Cao, YW and Banin, U. Angew. Chem. Int. Edit. 1999, 38, 3692. Each of which is incorporated by reference in its entirety.

配位剤は、ナノクリスタルの成長の制御に役立ち得る。配位剤は、ドナー孤立電子対を有する化合物であり、例えば、成長するナノクリスタルの表面に配位するのに利用できる孤立電子対を有する。配位剤は、溶媒であることができる。溶媒配位は、成長するナノクリスタルを安定化させることができる。代表的な配位溶媒としては、アルキルホスフィン、アルキルホスフィンオキシド、アルキルホスホン酸、又はアルキルホスフィン酸があるが、ピリジン、フラン、及びアミンなどの他の配位溶媒も、ナノクリスタルの生成に適し得る。適切な配位溶媒の例としては、ピリジン、トリ-n-オクチルホスフィン(TOP)、トリ-n-オクチルホスフィンオキシド(TOPO)、及びトリス-ヒドロキシルプロピルホスフィン(tHPP)がある。工業用のTOPOを使用することができる。   Coordinating agents can help control the growth of nanocrystals. A coordinating agent is a compound having a donor lone electron pair, for example, having a lone electron pair that can be used to coordinate to the surface of a growing nanocrystal. The coordinating agent can be a solvent. Solvent coordination can stabilize the growing nanocrystals. Exemplary coordinating solvents include alkyl phosphines, alkyl phosphine oxides, alkyl phosphonic acids, or alkyl phosphinic acids, although other coordinating solvents such as pyridine, furan, and amines may also be suitable for nanocrystal formation. . Examples of suitable coordinating solvents are pyridine, tri-n-octylphosphine (TOP), tri-n-octylphosphine oxide (TOPO), and tris-hydroxylpropylphosphine (tHPP). Industrial TOPO can be used.

ナノクリスタルの外部表面は、成長プロセス中に使用された配位剤から誘導される化合物の層を含むことができる。過剰な競合配位基へ繰り返し曝露することによって表面を改質し、被覆層を形成することができる。例えば、成長時に使用した配位剤でキャップされたナノクリスタルの分散は、ピリジンなどの配位性有機化合物を用いて処理され、ピリジン、メタノール、及び芳香族中では容易に分散するが、脂肪族溶媒中ではもはや分散しない結晶を生成することができる。そのような表面交換プロセスは、例えばホスフィン、チオール、アミン、及びホスフェートを含めた、ナノクリスタルの外部表面と配位、又は結合できる任意の化合物を用いて実施することができる。ナノクリスタルは、該表面に対して親和性を示し且つ懸濁液又は分散媒体に対して親和性を有する部位を末端とする短鎖ポリマーに曝露されることができる。そのような親和性は、懸濁液の安定性を改善し、ナノクリスタルの凝集を妨げる。   The outer surface of the nanocrystal can include a layer of a compound derived from the coordinating agent used during the growth process. The surface can be modified by repeated exposure to excess competing coordination groups to form a coating layer. For example, the dispersion of nanocrystals capped with the coordinating agent used during growth is treated with a coordinating organic compound such as pyridine and is easily dispersed in pyridine, methanol, and aromatics, but aliphatic. Crystals that are no longer dispersed in the solvent can be produced. Such a surface exchange process can be performed with any compound that can coordinate or bind to the external surface of the nanocrystal, including, for example, phosphines, thiols, amines, and phosphates. Nanocrystals can be exposed to short chain polymers that terminate at sites that have an affinity for the surface and an affinity for the suspension or dispersion medium. Such affinity improves the stability of the suspension and prevents nanocrystal aggregation.

単座配位アルキルホスフィン及びアルキルホスフィンオキシドは、効率的にナノクリスタルを不動態化する。用語ホスフィンは、ホスフィン及び下記のホスフィンオキシドに関連することに注意されたい。チオール又はホスホン酸などの他の従来の配位子は、長期間に渡って初期の高いナノクリスタル発光を維持する単座配位ホスフィンより非効果的であり得る。例えば、ナノクリスタルの光ルミネセンスは、チオール又はホスホン酸で配位子交換された後、一貫して減弱するか又は消光する。   Monodentate alkyl phosphines and alkyl phosphine oxides efficiently passivate nanocrystals. Note that the term phosphine relates to phosphine and the following phosphine oxides. Other conventional ligands such as thiols or phosphonic acids may be less effective than monodentate phosphines that maintain the initial high nanocrystal emission over time. For example, the photoluminescence of nanocrystals is consistently attenuated or quenched after ligand exchange with thiol or phosphonic acid.

配位子交換は、一相又は二相法によって実施されることができる。配位子交換の前に、ナノクリスタルを、メタノール添加によって、それらの成長溶液から沈殿させることができる。過剰な配位剤(例えば、トリオクチルホスフィン)を含む上清を廃棄することができる。沈殿したナノクリスタルは、ヘキサン中で再分散することができる。基本的にすべての過剰配位剤がナノクリスタルから分離されるまで、沈殿及び再分散を繰り返すことができる。ナノクリスタル及び導入される配位子が同じ溶媒中に可溶である場合、一相プロセスを用いることができる。過剰な新しい配位子を有する溶液を、ナノクリスタルと混合することができる。配位子交換が終了するまで、該混合液を高温で撹拌することができる。一相方法は、例えば、オクチル修飾オリゴマーホスフィン又はメタクレート修飾オリゴマーホスフィンを交換するために用いることができ、その双方は、ヘキサンなどの、ナノクリスタルと混合可能な溶媒に溶解する。ナノクリスタル及び新しい配位子が共通溶剤を有しない場合、二相配位子交換プロセスが好ましい。ナノクリスタルをジクロロメタンなどの有機溶媒に溶解し、新しい配位子を水溶液に溶解することができる。ナノクリスタルを、例えば、超音波処理によって有機相から水相に移動させることができる。当該移動は、吸収及び発光光分析でモニターすることができる。類似の二相配位子交換過程は以前に報告されている。例えば、その全体において引用により取り込まれているWang, Y.A.らの論文 2002 J. Am. Chem. Soc 124, 2293を参照されたい。   Ligand exchange can be carried out by one-phase or two-phase methods. Prior to ligand exchange, nanocrystals can be precipitated from their growth solution by the addition of methanol. Supernatant containing excess coordinating agent (eg, trioctylphosphine) can be discarded. The precipitated nanocrystals can be redispersed in hexane. The precipitation and redispersion can be repeated until essentially all the excess coordinating agent has been separated from the nanocrystals. If the nanocrystal and the introduced ligand are soluble in the same solvent, a single phase process can be used. Solutions with excess new ligand can be mixed with the nanocrystals. The mixture can be stirred at an elevated temperature until ligand exchange is complete. One-phase methods can be used, for example, to exchange octyl-modified oligomeric phosphine or methacrylate-modified oligomeric phosphine, both of which are dissolved in a solvent miscible with nanocrystals, such as hexane. If the nanocrystal and the new ligand do not have a common solvent, a two-phase ligand exchange process is preferred. Nanocrystals can be dissolved in an organic solvent such as dichloromethane and new ligands can be dissolved in an aqueous solution. Nanocrystals can be transferred from the organic phase to the aqueous phase, for example, by sonication. The movement can be monitored by absorption and emission light analysis. Similar biphasic ligand exchange processes have been reported previously. See, for example, Wang, Y.A. et al. 2002 J. Am. Chem. Soc 124, 2293, which is incorporated by reference in its entirety.

ナノクリスタルは、狭いサイズ分布を有するナノクリスタルの集団のメンバーであってよい。ナノクリスタルは、球形、棒状、円盤状、又は他の形状とすることができる。ナノクリスタルは、半導体物質のコアを含むことができる。ナノクリスタルは、式MXを有するコアを含むことができ、ここでMは、カドミウム、亜鉛、マグネシウム、水銀、アルミニウム、ガリウム、インジウム、タリウム、又はそれらの混合物であり、Xは、酸素、硫黄、セレン、テルル、窒素、リン、ヒ素、アンチモン、又はそれらの混合物である。   The nanocrystal may be a member of a population of nanocrystals having a narrow size distribution. Nanocrystals can be spherical, rod-shaped, disc-shaped, or other shapes. The nanocrystal can include a core of semiconductor material. The nanocrystal can include a core having the formula MX, where M is cadmium, zinc, magnesium, mercury, aluminum, gallium, indium, thallium, or mixtures thereof, where X is oxygen, sulfur, Selenium, tellurium, nitrogen, phosphorus, arsenic, antimony, or mixtures thereof.

ナノクリスタルのコアを形成する半導体は、II-VI族の化合物、II-V族の化合物、III-VI族の化合物、III-V族の化合物、IV-VI族の化合物、I-III-VI族の化合物、II-IV-VI族の化合物、又はII-IV-V族の化合物、例えばZnO、ZnS、ZnSe、ZnTe、CdO、CdS、CdSe、CdTe、MgO、MgS、MgSe、MgTe、HgO、HgS、HgSe、HgTe、AlN、AlP、AlAs、AlSb、GaN、GaP、GaAs、GaSb、InN、InP、InAs、InSb、TlN、TlP、TlAs、TlSb、PbS、PbSe、PbTe、又はそれらの混合物を含むことができる。   Semiconductors that form the core of the nanocrystal are II-VI compounds, II-V compounds, III-VI compounds, III-V compounds, IV-VI compounds, I-III-VI compounds. Group II, IV-VI group, or II-IV-V group compounds such as ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdO, CdS, CdSe, CdTe, MgO, MgS, MgSe, MgTe, HgO, Contains HgS, HgSe, HgTe, AlN, AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InN, InP, InAs, InSb, TlN, TlP, TlAs, TlSb, PbS, PbSe, PbTe, or mixtures thereof be able to.

コアは、該コアの表面上にオーバーコーティングを有することができる。オーバーコーティングは、該コアの組成物とは異なる組成物を有する半導体物質であってもよい。ナノクリスタルの表面上の半導体物質のオーバーコートは、II-VI族の化合物、II-V族の化合物、III-VI族の化合物、III-V族の化合物、IV-VI族の化合物、I-III-VI族の化合物、II-IV-VI族の化合物、又はII-IV-V族の化合物、例えばZnO、ZnS、ZnSe、ZnTe、CdO、CdS、CdSe、CdTe、MgO、MgS、MgSe、MgTe、HgO、HgS、HgSe、HgTe、AlN、AlP、AlAs、AlSb、GaN、GaP、GaAs、GaSb、InN、InP、InAs、InSb、TlN、TlP、TlAs、TlSb、PbS、PbSe、PbTe、又はそれらの混合物を含むことができる。オーバーコーティング材料は、コア材料のバンドギャップより大きいバンドギャップを有することができる。あるいは、オーバーコーティング材料は、コア材料の価電子帯及び伝導帯にエネルギーにおいて中間のバンド(すなわち価電子帯又は伝導帯)を有することができる。例えば、表題「半導体ナノクリスタルへテロ構造(Semiconductor Nanocrystal Heterostructures」の米国特許出願公開番号第20040110002号を参照されたい。それは全体において引用により取り込まれている。   The core can have an overcoating on the surface of the core. The overcoating may be a semiconductor material having a composition different from the composition of the core. The overcoat of semiconductor material on the surface of the nanocrystal is made up of II-VI compounds, II-V compounds, III-VI compounds, III-V compounds, IV-VI compounds, I- III-VI compounds, II-IV-VI compounds, or II-IV-V compounds such as ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdO, CdS, CdSe, CdTe, MgO, MgS, MgSe, MgTe , HgO, HgS, HgSe, HgTe, AlN, AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InN, InP, InAs, InSb, TlN, TlP, TlAs, TlSb, PbS, PbSe, PbTe, or those Mixtures can be included. The overcoating material can have a band gap that is larger than the band gap of the core material. Alternatively, the overcoating material can have an intermediate band in energy (ie, valence band or conduction band) in the valence band and conduction band of the core material. See, for example, US Patent Application Publication No. 20040110002, entitled “Semiconductor Nanocrystal Heterostructures,” which is incorporated by reference in its entirety.

ナノクリスタルからの発光は、狭いガウス発光バンド(Gaussian emission band)とすることができ、ナノクリスタルのサイズ、ナノクリスタルの組成、又はその両方を変化させることによって、紫外領域、可視領域、又は赤外領域のスペクトルの全波長範囲にわたって調整することができる。例えば、CdSeは、可視領域において調整することができ、InAsは、赤外領域において調整することができる。   The emission from the nanocrystal can be a narrow Gaussian emission band, and by changing the size of the nanocrystal, the composition of the nanocrystal, or both, the ultraviolet, visible, or infrared It can be tuned over the entire wavelength range of the spectrum of the region. For example, CdSe can be adjusted in the visible region and InAs can be adjusted in the infrared region.

ナノクリスタルの集団は、狭いサイズ分布を有することができる。集団は、単分散にすることができ、ナノクリスタルの直径について15%rms未満の偏差、好ましくは10%未満の偏差、より好ましくは5%未満の偏差を示すことができる。可視において発光するナノクリスタルのために、半値全幅(FWHM)が約10nm〜100nmの範囲である狭い範囲のスペクトル発光を観察することができる。半導体ナノクリスタルは、2%、5%、10%、20%、40%、60%、70%又は80%を超える発光量子効率を有することができる。   The population of nanocrystals can have a narrow size distribution. The population can be monodisperse and can exhibit a deviation of less than 15% rms, preferably less than 10%, more preferably less than 5% of the nanocrystal diameter. For nanocrystals that emit light in the visible, a narrow range of spectral emission can be observed with a full width at half maximum (FWHM) in the range of about 10 nm to 100 nm. Semiconductor nanocrystals can have emission quantum efficiencies greater than 2%, 5%, 10%, 20%, 40%, 60%, 70% or 80%.

半導体ナノクリスタルの調製方法は、高温の配位溶媒に注入されるジメチルカドミウムなど有機金属試薬の熱分解を含む。これは、個々の核形成を可能にし、巨視量のナノクリスタルの制御された成長をもたらす。ナノクリスタルの調製及び操作は、例えば、米国特許第6,322,901号に記載されており、その全体は本明細書中に引用により取り込まれている。ナノクリスタルの製造方法は、コロイド成長プロセスであり、単分散粒子集団を生成することができる。コロイド成長は、Mドナー及びXドナーを高温配位溶媒に急速に注入することによって生じる。この注入により核が生成され、その核は、ナノクリスタルを形成する制御された様式で成長させることができる。反応混合物は、ナノクリスタルを成長させ、かつアニールするために、穏やかに加熱されることができる。試料中のナノクリスタルの平均サイズとサイズ分布との両方が、成長温度に依存する。安定した成長を維持するために必要な成長温度は、平均結晶サイズの増加に伴って増加する。ナノクリスタルは、ナノクリスタルの集団のメンバーである。個々の核形成及び制御された成長の結果、得られるナノクリスタルの集団は、狭い単分散の直径分布を有する。単分散の直径分布は、サイズと呼ぶこともできる。核形成に続く、配位溶媒中でのナノクリスタルの制御された成長及びアニーリングのプロセスは、一様な表面誘導体化及び規則的なコア構造を生じさせることもできる。サイズ分布が鋭くなるにつれて、安定した成長を維持するために、温度を上昇させることができる。より多くのMドナー又はXドナーを添加することによって、成長期間を短縮することができる。   A method for preparing semiconductor nanocrystals involves pyrolysis of an organometallic reagent such as dimethylcadmium injected into a hot coordinating solvent. This allows for individual nucleation and results in controlled growth of macroscopic nanocrystals. The preparation and manipulation of nanocrystals is described, for example, in US Pat. No. 6,322,901, the entirety of which is incorporated herein by reference. The manufacturing method of nanocrystals is a colloidal growth process and can produce a monodisperse particle population. Colloidal growth occurs by rapidly injecting M and X donors into a hot coordinating solvent. This implantation produces nuclei that can be grown in a controlled manner to form nanocrystals. The reaction mixture can be gently heated to grow and anneal the nanocrystals. Both the average size and the size distribution of the nanocrystals in the sample depend on the growth temperature. The growth temperature required to maintain stable growth increases with increasing average crystal size. Nanocrystals are members of a group of nanocrystals. As a result of individual nucleation and controlled growth, the resulting population of nanocrystals has a narrow monodisperse diameter distribution. The monodisperse diameter distribution can also be called size. The process of controlled growth and annealing of nanocrystals in a coordinating solvent following nucleation can also result in uniform surface derivatization and regular core structure. As the size distribution becomes sharper, the temperature can be raised to maintain stable growth. By adding more M donor or X donor, the growth period can be shortened.

オーバーコーティングプロセスは、例えば米国特許第6,322,901号に記載されている。その全体は本明細書中に引用により取り込まれている。オーバーコーティング中に反応混合物の温度を調節し、コアの吸収スペクトルをモニタリングすることによって、高い発光量子効率と狭いサイズ分布とを有するオーバーコートされた材料を得ることができる。   The overcoating process is described, for example, in US Pat. No. 6,322,901. The entirety of which is incorporated herein by reference. By adjusting the temperature of the reaction mixture during overcoating and monitoring the absorption spectrum of the core, an overcoated material with high emission quantum efficiency and narrow size distribution can be obtained.

Mドナーは、無機化合物、有機金属化合物、又は元素金属とすることができる。無機化合物M含有塩は、ハロゲン化金属、カルボン酸金属、炭酸金属、水酸化金属又は金属アセチルアセトネートなどの金属ジケトンネートであることができる。例えば、米国特許第6,576,291号を参照されたい。それは全体において引用により取り込まれている。Mは、カドミウム、亜鉛、マグネシウム、水銀、アルミニウム、ガリウム、インジウム、又はタリウムである。Xドナーは、Mドナーと反応して一般式MXを有する物質を生成することができる化合物である。通常、Xドナーは、カルコゲニドドナー又はプニクタイドドナー、例えば、ホスフィンカルコゲニド、ビス(シリル)カルコゲニド、二酸素、アンモニウム塩、又はトリス(シリル)プニクタイドである。適切なXドナーは、二酸素、ビス(トリメチルシリル)セレニド((TMS)2Se)、トリアルキルホスフィンセレニド(例えば(トリ-n-オクチルホスフィン)セレニド(TOPSe)又は(トリ-n-ブチルホスフィン)セレニド(TBPSe)など)、トリアルキルホスフィンテルリド(例えば(トリ-n-オクチルホスフィン)テルリド(TOPTe)又はヘキサプロピルホスホラストリアミドテルリド(HPPTTe)など)、ビス(トリメチルシリル)テルリド((TMS)2Te)、ビス(トリメチルシリル)スルフィド((TMS)2S))、トリアルキルホスフィンスルフィド(例えば(トリ-n-オクチルホスフィン)スルフィド(TOPS)など)、アンモニウム塩(例えばハロゲン化アンモニウム(例えばNH4Cl)など)、トリス(トリメチルシリル)ホスフィド((TMS)3P)、トリス(トリメチルシリル)アルセニド((TMS)3As)、又はトリス(トリメチルシリル)アンチモニド((TMS)3Sb)を含む。特定の実施態様において、Mドナー及びXドナーは、同一分子内の成分とすることができる。 The M donor can be an inorganic compound, an organometallic compound, or an elemental metal. The inorganic compound M-containing salt can be a metal diketonate such as a metal halide, metal carboxylate, metal carbonate, metal hydroxide or metal acetylacetonate. See, for example, US Pat. No. 6,576,291. It is incorporated by reference throughout. M is cadmium, zinc, magnesium, mercury, aluminum, gallium, indium, or thallium. An X donor is a compound that can react with an M donor to produce a substance having the general formula MX. Typically, the X donor is a chalcogenide donor or pnictide donor, such as a phosphine chalcogenide, bis (silyl) chalcogenide, dioxygen, ammonium salt, or tris (silyl) pnictide. Suitable X donors are dioxygen, bis (trimethylsilyl) selenide ((TMS) 2 Se), trialkylphosphine selenides (eg (tri-n-octylphosphine) selenide (TOPSe) or (tri-n-butylphosphine)) Selenide (TBPSe), etc., trialkylphosphine telluride (eg (tri-n-octylphosphine) telluride (TOPTe) or hexapropylphosphorustriamide telluride (HPPTTe), etc.), bis (trimethylsilyl) telluride ((TMS) 2 Te), bis (trimethylsilyl) sulfide ((TMS) 2 S)), trialkylphosphine sulfide (eg (tri-n-octylphosphine) sulfide (TOPS) etc.), ammonium salt (eg ammonium halide (eg NH 4 Cl ), Tris (trimethylsilyl) phosphide ((TMS) 3 P), tris (trimethyl) Silyl) arsenide ((TMS) 3 As) or tris (trimethylsilyl) antimonide ((TMS) 3 Sb). In certain embodiments, the M donor and the X donor can be components within the same molecule.

反応の成長段階中のサイズ分布は、粒子の吸収線幅をモニタリングすることによって評価することができる。粒子の吸収スペクトルの変化に応じた反応温度の修正により、成長中、鋭い粒子サイズ分布の維持が可能になる。より大きな結晶を成長させるために、結晶成長中に、核形成溶液に反応物を添加することができる。特定のナノクリスタル平均直径で成長を停止させ、150Å未満の平均ナノクリスタル直径を有する集団を得ることができる。ナノクリスタルの集団は、15Å〜125Åの範囲の平均直径を有する。   The size distribution during the growth phase of the reaction can be evaluated by monitoring the absorption line width of the particles. Modification of the reaction temperature in response to changes in the absorption spectrum of the particles makes it possible to maintain a sharp particle size distribution during growth. In order to grow larger crystals, reactants can be added to the nucleation solution during crystal growth. Growth can be stopped at a specific nanocrystal average diameter, resulting in a population having an average nanocrystal diameter of less than 150 mm. The population of nanocrystals has an average diameter ranging from 15 to 125 mm.

その全体において本明細書中に引用により取り込まれている米国特許第6,322,901号に記載されているように、粒子サイズ分布を、メタノール/ブタノールなどのナノクリスタルに対する貧溶媒を用いるサイズ選択的沈殿法によって、さらに精製することができる。例えば、ナノクリスタルを、10%ブタノールのヘキサン溶液中に分散させることができる。メタノールを、乳光が持続するまで、攪拌溶液に滴下して加えることができる。遠心分離による上清と凝集物との分離により、試料中の最大結晶に富んだ沈殿物が生成される。この手順を、吸光スペクトルのさらなる鋭利化が認められなくなるまで繰り返すことができる。サイズ選択的沈殿法は、ピリジン/ヘキサン及びクロロホルム/メタノールを含めた種々の溶媒/非溶媒のペアで実施することができる。サイズ選択されたナノクリスタル集団は、平均直径から15%rms以下の偏差、好ましくは10%rms以下の偏差、より好ましくは5%rms以下の偏差を有することができる。   As described in US Pat. No. 6,322,901, which is incorporated by reference herein in its entirety, the particle size distribution is determined by size selective precipitation using a poor solvent for nanocrystals such as methanol / butanol. Can be further purified. For example, nanocrystals can be dispersed in 10% butanol in hexane. Methanol can be added dropwise to the stirred solution until the opalescence persists. Separation of the supernatant and aggregates by centrifugation produces a precipitate enriched in the largest crystals in the sample. This procedure can be repeated until no further sharpening of the absorption spectrum is observed. The size selective precipitation method can be carried out with various solvent / non-solvent pairs including pyridine / hexane and chloroform / methanol. The size-selected nanocrystal population can have a deviation of 15% rms or less from the average diameter, preferably 10% rms or less, more preferably 5% rms or less.

透過型電子顕微鏡(TEM)は、ナノクリスタル集団のサイズ、形状、及び分布に関する情報を提供することができる。粉末X線回折(XRD)パターンは、ナノクリスタルの結晶構造の種類及び質に関する最も完全な情報を提供することができる。また、粒子径はX線コヒーレンス長を介してピーク幅に反比例するので、サイズ見積りも可能である。例えば、ナノクリスタルの直径は、透過型電子顕微鏡によって直接測定することができ、又は、例えばシェラーの式を使用してX線回折データから評価することができる。また、UV/Vis吸収スペクトルから見積もることも可能である。   Transmission electron microscopy (TEM) can provide information about the size, shape, and distribution of nanocrystal populations. Powder X-ray diffraction (XRD) patterns can provide the most complete information regarding the type and quality of the crystal structure of nanocrystals. Further, since the particle diameter is inversely proportional to the peak width via the X-ray coherence length, the size can be estimated. For example, the diameter of the nanocrystal can be measured directly by transmission electron microscopy or can be estimated from X-ray diffraction data using, for example, Scherrer's equation. It is also possible to estimate from the UV / Vis absorption spectrum.

価数制御された半導体ナノクリスタルは、親和性標的に対する結合部位について所望の価数を有することができる。従って、半導体ナノクリスタルは、親和性標的に対して、正確に1、正確に2、正確に3、正確に4、正確に5、正確に6、正確に7、正確に8、正確に9、正確に10、正確に11、正確に12、又は正確により大きい数の結合部位を有するように調製されることができる。集団内の半導体ナノクリスタルの各々が正確に所望の価数を有する半導体ナノクリスタルの集団を調製することができる。一価の半導体ナノクリスタルは、親和性標的に対して正確に1個の結合部位を有することができる。   A valence-controlled semiconductor nanocrystal can have a desired valence for a binding site for an affinity target. Therefore, semiconductor nanocrystals are exactly 1, exactly 2, exactly 3, exactly 4, exactly 5, exactly 6, exactly 7, exactly 8, It can be prepared to have exactly 10, exactly 11, exactly 12, or exactly a larger number of binding sites. A population of semiconductor nanocrystals can be prepared in which each of the semiconductor nanocrystals in the population has exactly the desired valence. Monovalent semiconductor nanocrystals can have exactly one binding site for an affinity target.

価数制御された半導体ナノクリスタルは、化合物を半導体ナノクリスタルに連結することによって調製されることができる。いくつかの実施態様では、連結鎖は、個々の半導体ナノクリスタルに結合する化合物の数の確率分布を生じる。当該分布は、連結時に存在する化合物と半導体ナノクリスタルとの相対量を変えることによって影響され得る。半導体ナノクリスタルに結合する異なる数の化合物(例えば、0個の化合物、正確に1個の化合物、正確に2個の化合物、正確に3個の化合物又は正確により高い数の化合物など)を有する分布のメンバーを、互いから分離することができる。当該分離は、サイズに基づく分離(例えば、電気泳動又はゲル濾過クロマトグラフィーなど)、又は親和性に基づく分離(例えば、アフィニティークロマトグラフィーなど)であることができる。アフィニティークロマトグラフィーは、該化合物が結合する固定配位子(すなわち、親和性標的)を有するカラムを生成することを含むことができる。親和性標的は、公知技術の方法に従って反応性官能基を有するクロマトグラフィー樹脂に連結されることができる。該化合物と結合したナノクリスタルは、該化合物と親和性標的との間の相互作用の効力によって、樹脂と固定されることができる。カラムと結合しないナノクリスタルは固定されず、樹脂を洗浄することによって効率的に除去されることができる。その後、樹脂は、該化合物とナノクリスタルとの間の相互作用を弱める溶出状態(例えば、pH、イオン強度、温度、又は競争配位子又は配位子類似体への暴露の変化)によって洗浄される。更に、溶出条件への暴露の増加は、正確に1個の化合物と結合したナノクリスタルが正確に複数の化合物と結合したナノクリスタルの前に樹脂から溶出されるように該相互作用を弱める。   Valence-controlled semiconductor nanocrystals can be prepared by linking compounds to semiconductor nanocrystals. In some embodiments, the linking chain produces a probability distribution of the number of compounds that bind to individual semiconductor nanocrystals. The distribution can be influenced by changing the relative amount of compound and semiconductor nanocrystals present at the time of linking. Distributions with different numbers of compounds binding to semiconductor nanocrystals (e.g. 0 compounds, exactly 1 compound, exactly 2 compounds, exactly 3 compounds or exactly a higher number of compounds) Members can be separated from each other. The separation can be a size-based separation (eg, electrophoresis or gel filtration chromatography) or an affinity-based separation (eg, affinity chromatography). Affinity chromatography can include generating a column having a fixed ligand (ie, an affinity target) to which the compound binds. The affinity target can be linked to a chromatographic resin having a reactive functional group according to methods known in the art. Nanocrystals bound to the compound can be immobilized with the resin by virtue of the interaction between the compound and the affinity target. Nanocrystals that do not bind to the column are not fixed and can be efficiently removed by washing the resin. The resin is then washed by elution conditions (e.g., changes in pH, ionic strength, temperature, or exposure to competing ligands or ligand analogs) that weaken the interaction between the compound and the nanocrystal. The Furthermore, increased exposure to elution conditions weakens the interaction so that nanocrystals that are bound to exactly one compound are eluted from the resin before nanocrystals that are bound to exactly more than one compound.

この相互作用は、その標的抗原を結合する抗体又はアミラーゼに結合するタンパク質を結合するマルトースなどの特異的結合相互作用;カチオン又はアニオン交換カラムと結合する高荷電ペプチドなどの静電的相互作用;又はポリイミダゾールタグ(例えば、His6タグ)と結合するニッケル又はコバルトカラムのような金属-配位子相互作用でもあろう。 This interaction may be a specific binding interaction such as maltose that binds an antibody that binds its target antigen or a protein that binds to amylase; an electrostatic interaction such as a highly charged peptide that binds to a cation or anion exchange column; or It may also be a metal-ligand interaction such as a nickel or cobalt column that binds to a polyimidazole tag (eg, His 6 tag).

幾つかの実施態様において、半導体ナノクリスタルの実質的に全てが正確に1個の化合物と結合された半導体ナノクリスタルの集団を調製することができる。幾つかの実施態様において、該化合物は、親和性標的のために正確に1個の結合部位、正確に2個の結合部位、正確に3個の結合部位又は正確に4個の結合部位を有する。この方法において、半導体ナノクリスタルの集団の各部分が親和性標的に対して0〜12以上の範囲の正確な数の結合部位と結合することができる半導体ナノクリスタルの集団を調製することができる。   In some embodiments, a population of semiconductor nanocrystals can be prepared in which substantially all of the semiconductor nanocrystals are bound to exactly one compound. In some embodiments, the compound has exactly 1 binding site, exactly 2 binding sites, exactly 3 binding sites or exactly 4 binding sites for the affinity target. . In this way, a population of semiconductor nanocrystals can be prepared in which each portion of the population of semiconductor nanocrystals can bind to an exact number of binding sites ranging from 0 to 12 or more for affinity targets.

該化合物は、例えば、アビジン又はストレプトアビジンであることができる。アビジン又はストレプトアビジンは、1つ以上のモノマーがビオチンを結合することが実質的にできないように、改質アミノ酸配列を有する1つ以上のモノマーを有することができる。アビジン又はストレプトアビジンは、一価のアビジン(mA)又は一価のストレプトアビジン(mSA)であることができる。該化合物は、親和性標的、例えば、アビマー(avimer)又はアフィボディ(affibody)に対して特異的結合親和性を有する抗体、単鎖抗体、又は他のタンパク質若しくはペプチド配列であることができる(例えば、Binz HKらの論文 Nat Biotechnol. 2005 Oct;23(10):1257-68を参照されたい。それは全体において引用により取り込まれている。)。親和性標的は、例えば、タンパク質、核酸、ペプチド、代謝産物又は小分子であることができる。   The compound can be, for example, avidin or streptavidin. The avidin or streptavidin can have one or more monomers having a modified amino acid sequence such that the one or more monomers are substantially unable to bind biotin. The avidin or streptavidin can be monovalent avidin (mA) or monovalent streptavidin (mSA). The compound can be an antibody, single chain antibody, or other protein or peptide sequence having specific binding affinity for an affinity target, e.g., avimer or affibody (e.g. Biz HK et al., Nat Biotechnol. 2005 Oct; 23 (10): 1257-68, which is incorporated by reference in its entirety. An affinity target can be, for example, a protein, nucleic acid, peptide, metabolite, or small molecule.

細胞表面タンパク質は、抗体標的化(図9A)によって、ナノクリスタルで標識されることができる。ビオチンリガーゼを用いる細胞表面タンパク質を部位特異的にビオチン化する方法は公知である(例えば、Howarth, M.らの論文 (2005). Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A. 102, 7583-7588;及びChen, I.らの論文 (2005). Nat.Methods 2, 99-104を参照されたい。その各々は全体において引用により取り込まれている。)。ビオチンリガーゼは、関心対象のタンパク質に遺伝的に加えられた15-アミノ酸受容体ペプチド(AP)配列内のリシン側鎖を速やかにビオチン化する。例えば、Beckett, D.らの論文 Protein Sci. 1999 Apr;8(4):921-9を参照されたい。それは全体において引用により取り込まれている。その後、ビオチン化されたAPタグ化タンパク質は、ストレプトアビジン被覆ナノクリスタルを用いて単一分子レベルで安定に追跡されることができる(Howarth, M.らの論文 2005)。ストレプトアビジン標識化の高安定性は、大部分の抗体-抗原相互作用に特徴的である分オーダーの可逆性を回避する(Green, N.M. (1990). Methods Enzymol. 184, 51-67、それは全体において引用により取り込まれている。)。しかし、以前の研究において使用されたナノクリスタルのサイズ及び多価性は、レセプタ拡散及び輸送に関する信頼性が高い定量的データを得るための障害である(例えば、Groc, L., (2004). Nat.Neurosci. 7, 695-696;及び Howarth, M.らの論文 (2005). Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A. 102, 7583-7588を参照されたい。その各々は全体において引用により取り込まれている。)。市販のストレプトアビジン-ナノクリスタルは、1粒子にあたり4〜10コピーの四価のストレプトアビジンを有する(例えば、Grecco, H.E.らの論文 (2004). Microsc.Res.Tech. 65, 169-179を参照されたい。それは全体において引用により取り込まれている。)。これは、1ナノクリスタルあたり16〜40の可能なビオチン結合部位を与える。加えて、特定の市販のナノクリスタルの最高30%は、二量体化又は三量化され得る(Nehilla,B.J.らの論文 (2005). J. Phys. Chem.B Condens. Matter Mater. Surf. Interfaces. Biophys、それは全体において引用により取り込まれている。)。   Cell surface proteins can be labeled with nanocrystals by antibody targeting (FIG. 9A). Methods for site-specific biotinylation of cell surface proteins using biotin ligase are known (eg, Howarth, M. et al. (2005). Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102, 7583-7588; and Chen, I. et al. (2005). See Nat. Methods 2, 99-104, each of which is incorporated by reference in its entirety.) Biotin ligase rapidly biotinylates the lysine side chain in the 15-amino acid receptor peptide (AP) sequence genetically added to the protein of interest. See, for example, Beckett, D. et al., Protein Sci. 1999 Apr; 8 (4): 921-9. It is incorporated by reference throughout. The biotinylated AP-tagged protein can then be stably tracked at the single molecule level using streptavidin-coated nanocrystals (Howarth, M. et al. 2005). The high stability of streptavidin labeling avoids the minute order of reversibility that is characteristic of most antibody-antigen interactions (Green, NM (1990). Methods Enzymol. 184, 51-67. Incorporated by reference). However, the size and multivalency of the nanocrystals used in previous studies are obstacles to obtaining reliable quantitative data on receptor diffusion and transport (e.g., Groc, L., (2004)). Nat. Neurosci. 7, 695-696; and Howarth, M. et al. (2005). See Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102, 7583-7588, each of which is incorporated by reference in its entirety. ing.). Commercially available streptavidin-nanocrystals have 4-10 copies of tetravalent streptavidin per particle (see, eg, Grecco, HE et al. (2004). Microsc. Res. Tech. 65, 169-179. (It is incorporated by reference in its entirety.) This gives 16-40 possible biotin binding sites per nanocrystal. In addition, up to 30% of certain commercially available nanocrystals can be dimerized or trimerized (Nehilla, BJ et al. (2005). J. Phys. Chem. B Condens. Matter Mater. Surf. Interfaces Biophys, which is incorporated by reference in its entirety.)

四量体ストレプトアビジンで細胞表面タンパク質を標識化するときに架橋結合を回避するため、4つよりもむしろ1つのビオチン結合部位を有するストレプトアビジンが開発された(例えば、Howarth, M.らの論文 (2006). Nat.Methods 3, 267-273;及び表題「一価ストレプトアビジン組成物(Monovalent streptavidin compositions)」の米国特許出願公開番号第2007/0099248号を参照されたい。その各々は全体において引用により取り込まれている。)。このストレプトアビジンは、野生型ストレプトアビジンとして同じ結合親和性、外れた速度(off-rate)及び耐熱性を有したが、細胞表面タンパク質の標識に用いたときに架橋結合が起こらなかった。   In order to avoid cross-linking when labeling cell surface proteins with tetrameric streptavidin, streptavidin with one biotin binding site rather than four was developed (e.g. Howarth, M. et al. Nat. Methods 3, 267-273; and US Patent Application Publication No. 2007/0099248, entitled “Monovalent streptavidin compositions,” each of which is incorporated by reference in its entirety. Is taken in.) This streptavidin had the same binding affinity, off-rate and heat resistance as wild-type streptavidin, but no cross-linking occurred when used for labeling cell surface proteins.

改質ストレプトアビジンモノマーは、コア野生型ストレプトアビジンアミノ酸配列の改質を有することができる。ストレプトアビジンサブユニットの配列の改質は、野生型アミノ酸配列からの、ストレプトアビジンモノマーサブユニットのアミノ酸配列の変更である。ストレプトアビジンアミノ酸配列の改質は、その配列の1以上のアミノ酸残基を別のアミノ酸配列に置換することを含むことができ、1つのアミノ酸配列を野生型ストレプトアビジンの成熟配列中の別のものに置換すること(配列番号:1の残基25〜163)が、ストレプトアビジン・サブユニットの改質の例である。Genbankアクセッション番号P22629(配列番号:1)として示される配列の残基25は、成熟野生型ストレプトアビジンモノマーの一残基であると考えられ、配列番号:1の残基37は、野生型コアストレプトアビジン配列の一残基であると考えられる。この番号付け方法を用いて、本発明の幾つかの改質モノマーの調製において変更される残基は、残基N23、S27及びS45を含む。改質ストレプトアビジンモノマーサブユニットの例は、Dサブユニットであり、以下の置換を含む:成熟野生型ストレプトアビジンモノマーのアミノ酸配列の位置23でN―>A;成熟野生型ストレプトアビジンモノマーのアミノ酸配列の位置27でS―>D;及び成熟野生型ストレプトアビジンモノマーのアミノ酸配列の位置27でS―>Aである。   The modified streptavidin monomer can have a modification of the core wild type streptavidin amino acid sequence. The modification of the streptavidin subunit sequence is a change in the amino acid sequence of the streptavidin monomer subunit from the wild-type amino acid sequence. Modification of a streptavidin amino acid sequence can include substituting one or more amino acid residues of that sequence with another amino acid sequence, wherein one amino acid sequence is another in the mature sequence of wild-type streptavidin. (Residues 25-163 of SEQ ID NO: 1) is an example of modification of the streptavidin subunit. Residue 25 of the sequence shown as Genbank accession number P22629 (SEQ ID NO: 1) is considered to be one residue of the mature wild-type streptavidin monomer, and residue 37 of SEQ ID NO: 1 is the wild-type core It is thought to be a single residue of the streptavidin sequence. Using this numbering method, the residues that are altered in the preparation of some modified monomers of the present invention include residues N23, S27 and S45. An example of a modified streptavidin monomer subunit is the D subunit, which includes the following substitutions: N-> A at position 23 of the amino acid sequence of the mature wild-type streptavidin monomer; amino acid sequence of the mature wild-type streptavidin monomer S-> D at position 27 of S; and S-> A at position 27 of the amino acid sequence of the mature wild-type streptavidin monomer.

野生型ストレプトアビジン:

Figure 2011508793
Wild-type streptavidin:
Figure 2011508793

デッド(D)モノマー配列として記載される配列は、以下の置換アミノ酸残基を含む:N23A、S27D及びS45A(成熟野生型ストレプトアビジン配列の番号付けに基づく番号付け、これは配列番号:1のアミノ酸1〜163に相当する)。デッドモノマー配列は、配列番号:3として本明細書中に記載される。上記のアライブ(A)モノマーサブユニットの配列は、未改質コア野生型ストレプトアビジンモノマー配列を有し、His6精製タグを含むこともできる。幾つかの実施態様では、アライブ(A)モノマーは、精製タグを有しない。His6タグを有するアライブ ストレプトアビジン モノマー サブユニットは、配列番号:4として本明細書中に記載される。本発明の幾つかの方法及び調製に使用するため、配列番号:2、3、及び4の配列は、開始メチオニンでプラスミドにコード化され、その後E.コリによって取り除かれる。開始メチオニンの存在がコア配列の変更でなく、従って改質でないことが理解されよう。 The sequence described as a dead (D) monomer sequence includes the following substituted amino acid residues: N23A, S27D and S45A (numbering based on the numbering of the mature wild-type streptavidin sequence, which is the amino acid of SEQ ID NO: 1 1 to 163). The dead monomer sequence is described herein as SEQ ID NO: 3. The sequence of the above alive (A) monomer subunit has an unmodified core wild type streptavidin monomer sequence and may also include a His 6 purification tag. In some embodiments, the alive (A) monomer does not have a purification tag. The alive streptavidin monomer subunit with a His 6 tag is described herein as SEQ ID NO: 4. For use in some methods and preparations of the invention, the sequences of SEQ ID NOs: 2, 3, and 4 are encoded in the plasmid with the starting methionine and then removed by E. coli. It will be appreciated that the presence of the initiating methionine is not a modification of the core sequence and is therefore not a modification.

デッドモノマー(Dead Monomer):

Figure 2011508793
Dead Monomer:
Figure 2011508793

アライブモノマー(Alive monomer):

Figure 2011508793
Alive monomer:
Figure 2011508793

His6タグを有するアライブモノマー:

Figure 2011508793
Alive monomer with His 6 tag:
Figure 2011508793

一価ストレプトアビジン(mSA)四量体は、ビオチンへの野生型ストレプトアビジン結合親和性を維持する1つの野生型ストレプトアビジンモノマーサブユニット又はその断片、及び野生型ストレプトアビジンアミノ酸配列から改質されたアミノ酸配列を有する3つの改質ストレプトアビジンサブユニットを含む。本発明の一価ストレプトアビジン四量体に使用される改質ストレプトアビジンサブユニットの1つの型は、本明細書中において、デッド(D)型ストレプトアビジンモノマーサブユニットと称され、改質ストレプトアビジンモノマーサブユニットである。本発明の好ましい一価ストレプトアビジン四量体は、野生型及び改質ストレプトアビジンサブユニットを1:3の比率で含む。一価ストレプトアビジン四量体は、単一官能性ビオチン結合サブユニットのみを含む。幾つかの好ましい一価ストレプトアビジン四量体において、3つの改質ストレプトアビジンモノマーサブユニット全ては、同じ型の配列改質を有する。   Monovalent streptavidin (mSA) tetramer was modified from one wild type streptavidin monomer subunit or fragment thereof that maintains wild type streptavidin binding affinity to biotin, and the wild type streptavidin amino acid sequence Contains three modified streptavidin subunits having amino acid sequences. One type of modified streptavidin subunit used in the monovalent streptavidin tetramer of the present invention is referred to herein as the dead (D) type streptavidin monomer subunit and is referred to as the modified streptavidin subunit. It is a monomer subunit. Preferred monovalent streptavidin tetramers of the present invention comprise wild type and modified streptavidin subunits in a ratio of 1: 3. Monovalent streptavidin tetramer contains only a monofunctional biotin-binding subunit. In some preferred monovalent streptavidin tetramers, all three modified streptavidin monomer subunits have the same type of sequence modification.

また、野生型ストレプトアビジンモノマーサブユニットは、一価ストレプトアビジンポリマーの調製及び精製のために使用され得る精製タグを含むことができる。野生型ストレプトアビジンモノマーサブユニットは、必要としないが、以下から成る一価ストレプトアビジンポリマーの調製及び精製のために使用され得る精製タグを含むことができる。精製タグを使用せずに一価ストレプトアビジンポリマーを精製する別法の1つの例を挙げると、イミノビオチンカラムを用いる種々の四量体の分離がある。イミノビオチンカラムでは、D4四量体はカラムに結合せず、他のストレプトアビジン四量体がA1D3、A2D2、A3D1の順に溶出し、その後pHを下げて、後の四量体を有するA4が溶出する。当業者は、付加的な方法が、AとDストレプトアビジンサブユニットの異なる比を有するストレプトアビジン四量体の分離及び/又は精製に使用できることを認識するであろう。   The wild type streptavidin monomer subunit can also include a purification tag that can be used for the preparation and purification of monovalent streptavidin polymers. The wild type streptavidin monomer subunit can include a purification tag that is not required but can be used for the preparation and purification of monovalent streptavidin polymers consisting of: One example of an alternative method for purifying monovalent streptavidin polymers without using a purification tag is the separation of various tetramers using an iminobiotin column. In the iminobiotin column, the D4 tetramer does not bind to the column, the other streptavidin tetramers elute in the order of A1D3, A2D2, A3D1, then the pH is lowered, and A4 with the later tetramer elutes To do. One skilled in the art will recognize that additional methods can be used for the separation and / or purification of streptavidin tetramers having different ratios of A and D streptavidin subunits.

DHLA-PEG-CO2Hで被覆したナノクリスタルは負の表面電荷を有し、アガロースゲル電気泳動においてより速く移動し、1キロベースのDNAと類似の移動度を有する(図2B)。His6タグ化タンパク質は、イミダゾール基とナノクリスタルのCd/ZnSシェルとの多座配位相互作用によって、これらのナノクリスタルに効率的に連結されることができる(Clapp,A.R.らの論文 (2004). J.Am.Chem.Soc. 126, 301-310、それは全体において引用により取り込まれている。)。DHLA-PEG-CO2Hナノクリスタルを、単一His6-タグを含む異なる濃度の一価ストレプトアビジンとともにインキュベートし、電気泳動によって分析したとき、ナノクリスタル移動度の著しいラダーを得た。観察された不連続かつ鋭いバンドは、ナノクリスタルに連結したストレプトアビジンの異なる数に相当する(図10A)。このようなラダーは、以前まで、タンパク質がナノクリスタルに連結した後に観察されたが、精製については示されていなかった。例えば、Pinaud, F.らの論文 (2004). J.Am.Chem.Soc. 126, 6115-6123;及びPons, T.らの論文 (2006). J.Phys.Chem.B Condens.Matter Mater.Surf.Interfaces.Biophys. 110, 20308-20316を参照されたい。その各々は全体において引用により取り込まれている。電気泳動分離は、ナノクリスタルあたり単一の一価ストレプトアビジン(mSA) (すなわち一価ナノクリスタル)を有するナノクリスタルを生成するための最適ストレプトアビジン濃度の簡単な較正を可能にした。mSAの連結は、His-タグのないタンパク質のこれらのナノクリスタルへのEDC連結に関して通常得られる収率<10%とは異なり、ほぼ定量的であった。さらに、一価ナノクリスタルは、ゲルから目に見えるバンドを切除し、遠心によりナノクリスタルをアガロースから分離することによって、簡単に精製することができた。これらの一価ナノクリスタルの回収後、アガロースゲルで再検査したとき、0又は2コピーのストレプトアビジンに結合したナノクリスタルは検出されなかった(図10B)。これは、一価ナノクリスタルが良好な純度で単離されたことを示した。 Nanocrystals coated with DHLA-PEG-CO 2 H have a negative surface charge, migrate faster in agarose gel electrophoresis, and have a mobility similar to 1 kilobase DNA (FIG. 2B). His 6- tagged proteins can be efficiently linked to these nanocrystals by multidentate interaction between the imidazole group and the Cd / ZnS shell of the nanocrystal (Clapp, AR et al. (2004 J. Am. Chem. Soc. 126, 301-310, which is incorporated by reference in its entirety.). When DHLA-PEG-CO 2 H nanocrystals were incubated with different concentrations of monovalent streptavidin containing a single His 6 -tag and analyzed by electrophoresis, a ladder of significant nanocrystal mobility was obtained. The observed discontinuous and sharp bands correspond to different numbers of streptavidin linked to the nanocrystals (FIG. 10A). Such a ladder was previously observed after the protein was linked to the nanocrystal, but no purification was shown. For example, Pinaud, F. et al. (2004). J. Am. Chem. Soc. 126, 6115-6123; and Pons, T. et al. (2006). J. Phys. Chem. B Condens. Matter Mater. See Surf. Interfaces. Biophys. 110, 20308-20316. Each of which is incorporated by reference in its entirety. Electrophoretic separation allowed a simple calibration of the optimal streptavidin concentration to produce nanocrystals with a single monovalent streptavidin (mSA) (ie monovalent nanocrystal) per nanocrystal. The ligation of mSA was almost quantitative, unlike the yield <10% usually obtained for EDC ligation of His-tagged proteins to these nanocrystals. Furthermore, monovalent nanocrystals could be easily purified by excising visible bands from the gel and separating the nanocrystals from agarose by centrifugation. After recovery of these monovalent nanocrystals, no nanocrystals bound to 0 or 2 copies of streptavidin were detected when retested on an agarose gel (FIG. 10B). This indicated that the monovalent nanocrystal was isolated with good purity.

(材料及び分析)
全ての化学物質は、Sigma Aldrich社から得て、受け取ったままの状態で用いた。空気感受性物質は、Omni-Lab VACグローブボックス中、<0.2ppmの酸素レベルの乾燥窒素雰囲気下で扱った。全ての溶媒は、分光光度的等級で、EMD Biosciencesから購入した。アミンを含む化合物は、ニンヒドリン溶液を用いて薄層クロマトグラフィ(TLC)プレート上で視覚化した。他の全てのTLCプレートは、ヨウ素染色によって視覚化した。NMRスペクトルは、Bruker DRX 401 NMR分光計で記録した。ESI-MSは、Applied Biosystems QTrap 質量分析計(Forster City, CA)で測定した。試料は、2.5pmol/μLの濃度でアセトニトリル、水及び酢酸(50:50:0.01v/v)の溶液に溶解し、シリンジポンプを介して20μL/分の流速で導入した。全てのポリ(エチレン)グリコール化合物は分子量配布を生じ、44m/zで分離した。分布の最大質量は、全ての試料のESI-MS特徴付けにおいて報告する。UV- Vis吸光度スペクトルは、HP 8453ダイオードアレイ分光光度計を用いて得た。光ルミネセンススペクトルは、SPEX FluoroMax-3分光蛍光計で記録した。全ての溶液の吸光度は、内部フィルタ効果を回避するために、0.1OD以下を保持した。ゼータ電位測定は、Zeta PALS計測器(Brookhaven Instruments社)で行った。
(Materials and analysis)
All chemicals were obtained from Sigma Aldrich and used as received. Air sensitive materials were handled in an Omni-Lab VAC glove box under a dry nitrogen atmosphere with <0.2 ppm oxygen level. All solvents were spectrophotometric grade and purchased from EMD Biosciences. Compounds containing amines were visualized on thin layer chromatography (TLC) plates using ninhydrin solution. All other TLC plates were visualized by iodine staining. NMR spectra were recorded on a Bruker DRX 401 NMR spectrometer. ESI-MS was measured with an Applied Biosystems QTrap mass spectrometer (Forster City, CA). The sample was dissolved in a solution of acetonitrile, water and acetic acid (50: 50: 0.01 v / v) at a concentration of 2.5 pmol / μL and introduced via a syringe pump at a flow rate of 20 μL / min. All poly (ethylene) glycol compounds produced molecular weight distribution and separated at 44 m / z. The maximum mass of the distribution is reported in the ESI-MS characterization of all samples. UV-Vis absorbance spectra were obtained using an HP 8453 diode array spectrophotometer. Photoluminescence spectra were recorded with a SPEX FluoroMax-3 spectrofluorometer. The absorbance of all solutions was kept below 0.1 OD to avoid internal filter effects. Zeta potential measurement was performed with a Zeta PALS instrument (Brookhaven Instruments).

(ゲル濾過装置)
GFCは、Superose 6 10/300GLカラムを備えた、Amersham BiosciencesのAKTAprime Plusクロマトグラフィーシステムを用いて行った。リン酸緩衝生理食塩溶液(1X PBS)を移動相として、0.5mL/分の流速で使用した。典型的注入量は50μLとした。検出は、280nmで吸収を測定することにより達成し、蛍光スペクトルは、Ocean Optics LS-450 LED光源から460nmでの励起を有するOcean Optics SD2000光ファイバ分光器を用いて、設定された時間間隔で同時に記録した。カラムは、MW1.3〜158kDaの範囲で、Bio-Radからゲル濾過タンパク質標準(cat. 151-1901)を用いて較正した
(Gel filtration device)
GFC was performed using an Amersham Biosciences AKTAprime Plus chromatography system equipped with a Superose 6 10 / 300GL column. Phosphate buffered saline (1X PBS) was used as the mobile phase at a flow rate of 0.5 mL / min. The typical injection volume was 50 μL. Detection is achieved by measuring absorption at 280 nm, and fluorescence spectra are simultaneously measured at set time intervals using an Ocean Optics SD2000 fiber optic spectrometer with excitation at 460 nm from an Ocean Optics LS-450 LED light source. Recorded. The column was calibrated in the range of MW 1.3 to 158 kDa using gel filtration protein standards (cat. 151-1901) from Bio-Rad.

(動的光散乱)
光散乱分析は、DynaPro Dynamic Light Scattererを用いて行った。全てのナノクリスタル試料は、濃度0.5〜2μMであり、分析の前に0.02μmフィルターを通して濾過した。典型的カウント速度は、85〜150kHzであった。それぞれの自己相関関数(ACF)を10秒間得て、測定値につき10分間を平均化した。ソフトウェアフィルターを使用し、平方誤差の総和>15で全てのACFフィットを切り捨てた。結果として生じるACFは、非負最小二乗フィッティングアルゴリズムを使用するDynamics V6ソフトウェアを用いてフィットさせた。流体力学的サイズデータは、質量加重サイズ分布分析から得て、3組測定値の平均として報告した。
(Dynamic light scattering)
Light scattering analysis was performed using DynaPro Dynamic Light Scatterer. All nanocrystal samples were at a concentration of 0.5-2 μM and were filtered through a 0.02 μm filter prior to analysis. A typical count rate was 85-150 kHz. Each autocorrelation function (ACF) was obtained for 10 seconds and averaged for 10 minutes per measurement. A software filter was used and all ACF fits were truncated with a sum of squared errors> 15. The resulting ACF was fitted using Dynamics V6 software using a non-negative least squares fitting algorithm. Hydrodynamic size data was obtained from mass weighted size distribution analysis and reported as the average of triplicate measurements.

(CdSe(ZnCdS) コア(シェル)ナノクリスタルの水可溶化)
ナノクリスタル上の自然TOPO/TOP表面配位子の、PEG誘導体化配位子との交換は、幾つかの変更態様で、以前に報告された手順に従って行った(Uyeda, H. T.らの論文 J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 3870-3878、それは全体において引用により取り込まれている。)。ナノクリスタル成長溶液0.2mLに、混濁するまでアセトンを加えた。遠心及びデカントの後に、ニートのDHLA-PEG 誘導体化配位子50μL、及びMeOH 10μLを加えた。混合液を、60℃で2.5時間撹拌し、0.3mLのエタノール、0.05mLのクロロホルム、及び0.5mLのヘキサンを連続して加えることによって沈殿させた。3000gで2分間の遠心により、上清を得て、それを廃棄した。ペレットを、0.5mLのPBSに分散し、0.2μmフィルターを通して濾過した。当該試料を、凝集ナノクリスタルの除去のためにゲル濾過クロマトグラフィを用いて浄化し、画分をVivaspin-6 10,000スピン濃縮器を用いて3500gで濃縮した。ナノクリスタル調製の典型的濃度を8μMとした。水のQYを〜40%とした。
(Solubilization of CdSe (ZnCdS) core (shell) nanocrystals in water)
The exchange of natural TOPO / TOP surface ligands on nanocrystals with PEG derivatized ligands was performed according to previously reported procedures in several variations (Uyeda, HT et al. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 3870-3878, which is incorporated by reference in its entirety. Acetone was added to 0.2 mL of the nanocrystal growth solution until it became cloudy. After centrifugation and decanting, 50 μL of neat DHLA-PEG derivatized ligand and 10 μL of MeOH were added. The mixture was stirred at 60 ° C. for 2.5 hours and precipitated by sequential addition of 0.3 mL ethanol, 0.05 mL chloroform, and 0.5 mL hexane. The supernatant was obtained by centrifugation at 3000 g for 2 minutes and discarded. The pellet was dispersed in 0.5 mL PBS and filtered through a 0.2 μm filter. The sample was clarified using gel filtration chromatography to remove aggregated nanocrystals and the fractions were concentrated at 3500 g using a Vivaspin-6 10,000 spin concentrator. The typical concentration of nanocrystal preparation was 8 μM. The water QY was ˜40%.

(量子収率測定)
565nm発光ナノクリスタルのQYを、490nmで励起を有するローダミン590に対して測定した。ナノクリスタルのPBS溶液及び色素のエタノール溶液を、励起波長で光学的に一致させた。QD及び色素の蛍光スペクトルを、同じ分光器状態下、3組で得て、平均化した。ピークの光学濃度を0.1以下に保ち、屈折率及び濃度の違いについて較正した発光スペクトルの積分強度を用い、発光QYNC = (吸光度)色素/(吸光度)NC x (ピーク面積)NC/(ピーク面積)色素 x (nNC溶媒)2/(n色素溶媒)2 x QY色素により、量子収率を計算した(例えば、Eaton, D., IUPAC. 1988, 60, 1107-1114を参照されたい。それは全体において引用により取り込まれている。)。
(Quantum yield measurement)
The QY of the 565 nm emitting nanocrystal was measured against rhodamine 590 with excitation at 490 nm. Nanocrystals in PBS and dye in ethanol were optically matched at the excitation wavelength. QD and dye fluorescence spectra were obtained in triplicate and averaged under the same spectroscopic conditions. Emission QY NC = (absorbance) dye / (absorbance) NC x (peak area) NC / (peak area, using the integrated intensity of the emission spectrum calibrated for differences in refractive index and concentration, keeping the optical density of the peak below 0.1 ) Dye x (n NC solvent ) 2 / (n Dye solvent ) 2 x QY dye was used to calculate the quantum yield (see, eg, Eaton, D., IUPAC. 1988, 60, 1107-1114. Incorporated by reference throughout.)

(ジアミノ-PEG(化合物1))
配位子の合成は、下記スキーム1においても例示される。ニートのポリ(エチレングリコール)(平均MW 400)(20.0g、48.3mmol)を、撹拌しながら80℃で1時間、脱気し、微量の水を除去した。フラスコをN2で充填し、氷浴で冷却し、塩化チオニル(10.51mL、145.0mmol)をゆっくり加えた。溶液を室温に暖め、2時間撹拌した。変換を、IRスペクトルにおいて3500cm-1の幅広いO-H伸縮の消滅、及び730cm-1のC-Cl伸縮の出現によってモニターした。生成物をDMF(20mL)で希釈し、溶媒を減圧下で除去した。これを、残余塩化チオニルを全て除去するために、3回繰り返した。その試料をアジ化ナトリウム(9.42g、145.0mmol)のDMF溶液250mLに溶解し、85℃で一晩撹拌した。減圧下で溶媒を除去し、200mLのジクロロメタンを加えた。沈殿物を減圧濾過によって除去し、溶媒を減圧下で留去し、中間体のアジド官能化生成物を得た。転換を、IRスペクトルにおいて2100cm-1の鋭いアジド伸縮の出現、及び730cm-1のC-Cl伸縮の消滅によって確認した。その試料を300mLのテトラヒドロフランに溶解し、トリフェニルホスフィン(27.9g、106mmol)を加えた。溶液を室温で4時間撹拌し、4mLの水を加え、一晩撹拌した。溶媒を減圧下で除去し、100mLの脱イオン水を加えた。沈殿物を減圧濾過で除去し、濾液をトルエン(3×50mL)で洗浄した。溶媒を減圧下で除去し、純粋生成物を淡黄色オイルとして得た(15.5g、78%)。

Figure 2011508793
(Diamino-PEG (Compound 1))
The synthesis of the ligand is also illustrated in Scheme 1 below. Neat poly (ethylene glycol) (average MW 400) (20.0 g, 48.3 mmol) was degassed with stirring at 80 ° C. for 1 hour to remove traces of water. The flask was filled with N 2, cooled in an ice bath, thionyl chloride (10.51mL, 145.0mmol) was added slowly. The solution was warmed to room temperature and stirred for 2 hours. The conversion, disappearance of broad OH stretch of 3500 cm -1 in the IR spectrum, and was monitored by the appearance of C-Cl stretch of 730 cm -1. The product was diluted with DMF (20 mL) and the solvent was removed under reduced pressure. This was repeated 3 times to remove any residual thionyl chloride. The sample was dissolved in 250 mL of DMF solution of sodium azide (9.42 g, 145.0 mmol) and stirred at 85 ° C. overnight. The solvent was removed under reduced pressure and 200 mL of dichloromethane was added. The precipitate was removed by vacuum filtration and the solvent was removed under reduced pressure to give the intermediate azide functionalized product. The conversion was confirmed by the appearance of a sharp azide stretch of 2100 cm −1 in the IR spectrum and the disappearance of the C—Cl stretch of 730 cm −1 . The sample was dissolved in 300 mL of tetrahydrofuran and triphenylphosphine (27.9 g, 106 mmol) was added. The solution was stirred at room temperature for 4 hours, 4 mL of water was added and stirred overnight. The solvent was removed under reduced pressure and 100 mL of deionized water was added. The precipitate was removed by vacuum filtration and the filtrate was washed with toluene (3 × 50 mL). The solvent was removed under reduced pressure to give the pure product as a pale yellow oil (15.5 g, 78%).
Figure 2011508793

(チオクト酸NHSエステル(TA-NHS))
リポ酸(5.00g、24.23mmol)及びNHS(3.35g、29.1mmol)のTHF溶液150mLに、0℃で、DCC(6.00g、29.1mmol)のTHF溶液10mLを加えた。混合液を室温に暖め、5時間撹拌した。沈殿物を減圧濾過により除去し、溶媒を減圧下で留去した。粗生成物を、100mLの酢酸エチルに再溶解し、減圧濾過によって再度濾過した。生成物を、熱い酢酸エチル:ヘキサン(1:1 v/v)の溶液から、淡黄色固体として再結晶した(5.88g、80%)。

Figure 2011508793
(NHC ester of thioctic acid (TA-NHS))
To a 150 mL THF solution of lipoic acid (5.00 g, 24.23 mmol) and NHS (3.35 g, 29.1 mmol), 10 mL of a THF solution of DCC (6.00 g, 29.1 mmol) was added at 0 ° C. The mixture was warmed to room temperature and stirred for 5 hours. The precipitate was removed by vacuum filtration, and the solvent was distilled off under reduced pressure. The crude product was redissolved in 100 mL ethyl acetate and filtered again by vacuum filtration. The product was recrystallized from a hot ethyl acetate: hexane (1: 1 v / v) solution as a pale yellow solid (5.88 g, 80%).
Figure 2011508793

(TA-PEG-NH2(化合物2))
化合物1(12g、29.1mmol)及び炭酸水素ナトリウム(2.44g、29.1mmol)のDMF/水(100mL、50:50 v/v)溶液に、0℃で、リポ酸-NHS(1.60 g, 5.27 mmol)の10 mL DMF溶液を1時間かけて滴下添加した。溶液を室温に暖め、一晩撹拌し、クロロホルムで抽出した(3×30mL)。合わせた有機抽出液を水(3×30mL)で洗浄し、Na2SO4で乾燥し、濾過し、溶媒を留去した。粗生成物をアルミナカラム(ジクロロメタン/メタノール95:5)によって精製し、最終生産物を黄色オイルとして得た(1.90g、60%)。

Figure 2011508793
(TA-PEG-NH 2 (Compound 2))
Lipoic acid-NHS (1.60 g, 5.27 mmol) at 0 ° C. in a DMF / water (100 mL, 50:50 v / v) solution of compound 1 (12 g, 29.1 mmol) and sodium bicarbonate (2.44 g, 29.1 mmol). ) Was added dropwise over 1 hour. The solution was warmed to room temperature, stirred overnight and extracted with chloroform (3 × 30 mL). The combined organic extracts were washed with water (3 × 30 mL), dried over Na 2 SO 4 , filtered and evaporated. The crude product was purified by alumina column (dichloromethane / methanol 95: 5) to give the final product as a yellow oil (1.90 g, 60%).
Figure 2011508793

(TA-PEG-CO2H(化合物5))
化合物2(1.90g、3.16mmol)及びトリエチルアミン(0.320g、3.16mmol) のジクロロメタン溶液(30mL)に、0℃で、メチルマロニルクロリド(0.475g、3.48mmol)のジクロロメタン溶液 (10mL)をゆっくり滴下した。溶液を室温で4時間撹拌し、溶媒を減圧下で除去した。粗生成物をシリカカラム(ジクロロメタン/メタノール95:5)によって精製し、溶媒を留去して、純粋生成物(化合物3)を黄色オイルとして得た(1.97g、89%)。メチルエステルの脱保護は、メタノール中の3.5当量のNaOHを用いて、 60℃で5時間撹拌することによって達成した。溶媒を3M HClでpH 7に中和した後、減圧下で除去した。生成物を水に溶解し、pH 2に酸性化し、クロロホルム(3×20mL)で抽出して、純粋生成物を定量的収率で得た。

Figure 2011508793
(TA-PEG-CO 2 H (Compound 5))
To a dichloromethane solution (30 mL) of compound 2 (1.90 g, 3.16 mmol) and triethylamine (0.320 g, 3.16 mmol), a dichloromethane solution (10 mL) of methylmalonyl chloride (0.475 g, 3.48 mmol) was slowly added dropwise at 0 ° C. . The solution was stirred at room temperature for 4 hours and the solvent was removed under reduced pressure. The crude product was purified by silica column (dichloromethane / methanol 95: 5) and evaporated to give the pure product (compound 3) as a yellow oil (1.97 g, 89%). Deprotection of the methyl ester was achieved by stirring at 60 ° C. for 5 hours with 3.5 equivalents of NaOH in methanol. The solvent was neutralized to pH 7 with 3M HCl and then removed under reduced pressure. The product was dissolved in water, acidified to pH 2, and extracted with chloroform (3 × 20 mL) to give the pure product in quantitative yield.
Figure 2011508793

(ジスルフィド開環(化合物3及び6)のための一般的手順)
TA-PEGの0.25M NaHCO3溶液(20mL)に、0℃で、4当量の水素化ホウ素ナトリウムを30分かけてゆっくり加えた。溶液を氷上で2時間撹拌し、3M HClでpH 2に酸性化し、クロロホルムで抽出した(3×15mL)。合わせた有機物をMgSO4で乾燥し、濾過した。溶媒を減圧下で除去し、生成物を無色オイルとして得た。
(General procedure for disulfide ring opening (compounds 3 and 6))
To a 0.25M NaHCO 3 solution (20 mL) of TA-PEG, 4 equivalents of sodium borohydride were slowly added over 30 minutes at 0 ° C. The solution was stirred on ice for 2 hours, acidified to pH 2 with 3M HCl and extracted with chloroform (3 × 15 mL). The combined organics were dried over MgSO 4 and filtered. The solvent was removed under reduced pressure to give the product as a colorless oil.

(アガロースゲル電気泳動)
ナノクリスタルの電気泳動は、TAE (40 mM トリス-酢酸塩, 1 mM EDTA, pH 8.3)中1% Omnipurアガロース(EMD)を有するMinicell Primo (Thermo)を用いて、15分7.9 V/cmで行った。ナノクリスタルをTAEで150 nMに希釈し、6xローディング緩衝液(16% スクロース)と混合し、ゲルにロードした。ゲルを、ChemiImager 5500(Alpha Innotech社)を用いて305nm UV下で視覚化した。PBS中の一価ストレプトアビジンを、以前に記載されいるように調製した(Howarthらの論文. 2006)。野生型ストレプトアビジンを、PBS中に1mg/mLで溶解した。ナノクリスタル連結His6-タグの影響を試験するために、600nmで発光し且つ10mMのDHLA-PEG-CO2Hで被覆された、ホウ酸ナトリウムpH 7.4中の3μMナノクリスタルの5μLを、PBS 中27 uMの一価ストレプトアビジン5μLとともに1時間24℃でインキュベートした。その後、ストレプトアビジン連結を電気泳動で検査した。これらのナノクリスタルを、細胞の標識化のために50nMで用いた。
(Agarose gel electrophoresis)
Electrophoresis of nanocrystals was performed using a Minicell Primo (Thermo) with 1% Omnipur agarose (EMD) in TAE (40 mM Tris-acetate, 1 mM EDTA, pH 8.3) for 15 minutes at 7.9 V / cm. It was. Nanocrystals were diluted to 150 nM with TAE, mixed with 6x loading buffer (16% sucrose) and loaded onto the gel. The gel was visualized under 305 nm UV using a ChemiImager 5500 (Alpha Innotech). Monovalent streptavidin in PBS was prepared as previously described (Howarth et al. 2006). Wild type streptavidin was dissolved at 1 mg / mL in PBS. To test the effects of nanocrystal-linked His 6 -tag, 5 μL of 3 μM nanocrystals in sodium borate pH 7.4, emitting at 600 nm and coated with 10 mM DHLA-PEG-CO 2 H, in PBS Incubated with 5 μL of 27 uM monovalent streptavidin for 1 hour at 24 ° C. Subsequently, streptavidin ligation was examined by electrophoresis. These nanocrystals were used at 50 nM for cell labeling.

(一価ナノクリスタルの精製)
PBS中8μMのナノクリスタル0.5μLを、PBS中の一価ストレプトアビジン(19μM)又はscFv(13μM)の指示量とともに、総量5μLにおいて1時間24℃でインキュベートした。一価ストレプトアビジンを開示されているように調製した(Howarthらの論文. 2006)mSA及びscFvは各々、Cd/ZnSシェルに安定して結合する単一His6-タグを含んだ(Clappらの文献, 2004)1-エチル-3-ジイソプロピルアミノカルボジイミド(EDC)の添加は、連結効率を変えなかった。ナノクリスタル-タンパク質連結の分析は、10mM ホウ酸ナトリウム(1 M HClを用いてpH 8.0に調整した)中1% Omnipurアガロース(EMD)を有するMinicell Primo (Thermo)を用いて、15分7.9 V/cmで電気泳動により行った。試料に6xローディング緩衝液(ddH2O中16%スクロース)を加え、ロードした。精製のために、緩衝液を氷上で冷却し、電気泳動装置を氷で囲み、ゲルを20分6.4V/cmで作動した。1ナノクリスタル対1 mSAのモル比を用いて、一価ナノクリスタル精製のための試料を生成した。ゲルを、分析用ChemiImager 5500(Alpha Innotech社)を用いて305nm UV下で可視化、又は精製のための周囲光下で肉眼により可視化した。関心対象バンドを外科用メスで切除し、Nanosep MF 0.2μmカラム(Pall)に配置し、24℃で3分間、5,000gで遠心分離した。この遠心は、下の収集管にアガロースから緩衝液及びナノクリスタル-タンパク連結体を回転させた(例えば、Loweth, C.J.らの論文 (1999). Angewandte Chemie-International Edition 38, 1808-1812を参照されたい。それは全体において引用により取り込まれている。)。アガロースからの抽出効率は、30〜50%(データ示さず)であった。
(Purification of monovalent nanocrystals)
0.5 μL of 8 μM nanocrystals in PBS were incubated with indicated amounts of monovalent streptavidin (19 μM) or scFv (13 μM) in PBS for 1 hour at 24 ° C. in a total volume of 5 μL. Monovalent streptavidin was prepared as disclosed (Howarth et al. 2006) mSA and scFv each contained a single His 6 -tag that stably binds to the Cd / ZnS shell (Clapp et al. (Reference, 2004) Addition of 1-ethyl-3-diisopropylaminocarbodiimide (EDC) did not change the coupling efficiency. Analysis of nanocrystal-protein linkage was performed using a Minicell Primo (Thermo) with 1% Omnipur agarose (EMD) in 10 mM sodium borate (adjusted to pH 8.0 with 1 M HCl) for 15 min at 7.9 V / Performed by electrophoresis at cm. Samples were loaded with 6x loading buffer (16% sucrose in ddH 2 O). For purification, the buffer was cooled on ice, the electrophoresis apparatus was enclosed in ice, and the gel was run at 6.4 V / cm for 20 minutes. Samples for purification of monovalent nanocrystals were generated using a molar ratio of 1 nanocrystal to 1 mSA. Gels were visualized using an analytical ChemiImager 5500 (Alpha Innotech) under 305 nm UV or visually under ambient light for purification. The band of interest was excised with a scalpel and placed on a Nanosep MF 0.2 μm column (Pall) and centrifuged at 5,000 g for 3 minutes at 24 ° C. This centrifugation rotated the buffer and nanocrystal-protein conjugate from agarose into the lower collection tube (see, eg, Loweth, CJ et al. (1999). Angewandte Chemie-International Edition 38, 1808-1812. (It is incorporated by reference throughout.) The extraction efficiency from agarose was 30-50% (data not shown).

(一価ストレプトアビジン色素官能化ナノクリスタルの連結)
ナノクリスタルにストレプトアビジンを連結させるために、10mMホウ酸ナトリウムpH 7.4中3μMのコントロール又は色素連結ナノクリスタルの5 μLを、PBS 中27uMの一価ストレプトアビジンの5μLとともに24℃で1時間インキュベートした。その後、これらのナノクリスタルを、細胞の標識化のために50nMで使用した。
(Linking monovalent streptavidin dye-functionalized nanocrystals)
To link streptavidin to the nanocrystals, 5 μL of 3 μM control or dye-linked nanocrystals in 10 mM sodium borate pH 7.4 was incubated at 24 ° C. with 5 μL of 27 uM monovalent streptavidin in PBS. These nanocrystals were then used at 50 nM for cell labeling.

(細胞培養、標識化及びイメージング)
HeLa(ヒト癌)及びCOS7(アフリカミドリザル腎臓)細胞を、10%ウシ胎仔血清、50U/mLペニシリン及び50μg/mLストレプトマイシンを有するDMEMで生育した。トランスフェクションは、製造業者の指示に従って、リポフェクトアミン2000(Invitrogen)で行い、トランスフェクション後翌日に、細胞をイメージ化した。pEYFP-H2B(Platani Swedlow 2002)はA.K. Leung (MIT)の親切な贈り物であった。これは、核局所的同時トランスフェクションマーカーとして、EYFPに融合したヒストンH2Bをコード化する。LDLR-APは、ヒト低密度リポタンパク質レセプターのシグナル配列の後に挿入されたAPを有し、細胞外表示を可能にした。pEGFP(Clontech)のLDLRは、T. Kirchhausen(Blood Research (Center for Blood Research, Harvard Medical School)の親切な贈り物であった。細胞質同時トランスフェクションマーカーBFPは、R. Y. Tsien(UCSD)からの贈り物であった。pcDNA3(Invitrogen)のヒトEGFR遺伝子は、K. D. Wittrup(MIT)からの贈り物であった。APを、プライマー

Figure 2011508793
及び
Figure 2011508793
を用いて逆PCRによって、pEGFP-LDLRに挿入した。EGFPを、プライマー
Figure 2011508793
及びその逆補体を用いてQuikChange(商標)により除去した。構築物を、配列決定によって検査した。 (Cell culture, labeling and imaging)
HeLa (human cancer) and COS7 (African green monkey kidney) cells were grown in DMEM with 10% fetal calf serum, 50 U / mL penicillin and 50 μg / mL streptomycin. Transfection was performed with Lipofectamine 2000 (Invitrogen) according to the manufacturer's instructions, and cells were imaged the next day after transfection. pEYFP-H2B (Platani Swedlow 2002) was a kind gift from AK Leung (MIT). This encodes histone H2B fused to EYFP as a nuclear local cotransfection marker. LDLR-AP has an AP inserted after the signal sequence of the human low density lipoprotein receptor, allowing extracellular display. LDLR of pEGFP (Clontech) was a kind gift of T. Kirchhausen (Blood Research (Center for Blood Research, Harvard Medical School). Cytoplasmic cotransfection marker BFP was a gift from RY Tsien (UCSD). The human EGFR gene in pcDNA3 (Invitrogen) was a gift from KD Wittrup (MIT).
Figure 2011508793
as well as
Figure 2011508793
Was inserted into pEGFP-LDLR by inverse PCR. EGFP, primer
Figure 2011508793
And its reverse complement were removed by QuikChange ™. The construct was examined by sequencing.

CHO ldlA7(A7)は、内因性LDLRを欠くCHOの変異体であり、M. Krieger (MIT, US)からの親切な贈り物であった。CHO、HeLa及びA7を、10%ウシ胎仔血清、50U/mLペニシリン、50μg/mLストレプトマイシン、1mMピルベート及び69mg/LでL-プロリンを有するDMEM中で生育した。DMEMはビオチンを含まないことが報告され(Invitrogen)、100%のウシ胎仔血清は〜 90nMビオチンを含む(例えば、Baumgartner, M.R.らの論文 (2004). Am.J.Hum.Genet. 75, 790-800を参照されたい。それは全体において引用により取り込まれている。)。細胞株を、48ウェルプレートの1ウェル当たり、1μlのリポフェクトアミン2000(Invitrogen)、0.1μgの関心対象の遺伝子及び5ngの同時トランスフェクションマーカーを用いてトランスフェクションした。細胞をBirA-ER及びAP融合によって同時トランスフェクションした場合、1ウェル当たり各プラスミド0.1μgを用いた。トランスフェクション後翌日に細胞をイメージ化した。MITガイドラインに従って、主要な海馬培養物を、E18-19ラットから調製した。簡潔には、海馬をパパインで分離し、ニューロンを200,000細胞/ウェルの密度で、イーグル基礎培地(BME)プラス5%ウシ胎仔血清の12mmカバースリップ上へ塗布した。カバースリップを、ポリ-D-リシン(Mw 300,000)(Sigma)(0.1mg/ml)、及びマウスラミニン(Invitrogen)(5μg/ml)でプレコートした。培養物を8時間 37℃で生育した後、更なる培養のために、培地を2% B27(Invitrogen)、0.5mMグルタミン、25U/mLペニシリン、及び25μg/mLストレプトマイシンで補充したNeurobasal培地(Invitrogen)と交換した。ニューロンを、DIV6でリン酸カルシウムを用いてトランスフェクションした。   CHO ldlA7 (A7) is a variant of CHO that lacks endogenous LDLR and was a kind gift from M. Krieger (MIT, US). CHO, HeLa and A7 were grown in DMEM with 10% fetal calf serum, 50 U / mL penicillin, 50 μg / mL streptomycin, 1 mM pyruvate and 69 mg / L with L-proline. DMEM has been reported to contain no biotin (Invitrogen) and 100% fetal bovine serum contains ~ 90 nM biotin (see, eg, Baumgartner, MR et al. (2004). Am. J. Hum. Genet. 75, 790 See -800, which is incorporated by reference throughout.) The cell line was transfected with 1 μl of Lipofectamine 2000 (Invitrogen), 0.1 μg of the gene of interest and 5 ng cotransfection marker per well of a 48 well plate. When cells were co-transfected with BirA-ER and AP fusions, 0.1 μg of each plasmid was used per well. Cells were imaged the next day after transfection. Primary hippocampal cultures were prepared from E18-19 rats according to MIT guidelines. Briefly, hippocampus was separated with papain and neurons were plated at a density of 200,000 cells / well onto a 12 mm coverslip of Eagle basal medium (BME) plus 5% fetal calf serum. Coverslips were precoated with poly-D-lysine (Mw 300,000) (Sigma) (0.1 mg / ml) and mouse laminin (Invitrogen) (5 μg / ml). After the culture was grown for 8 hours at 37 ° C, the medium was supplemented with Neurobasal medium (Invitrogen) supplemented with 2% B27 (Invitrogen), 0.5 mM glutamine, 25 U / mL penicillin, and 25 μg / mL streptomycin for further culture. Was replaced. Neurons were transfected with calcium phosphate with DIV6.

(プラスミド)
pEYFP-H2Bは、A.K. Leung (MIT, US)の親切な贈り物であった。これは、核局所的同時トランスフェクションマーカーとして、EYFPに融合されたヒトヒストンH2Bをコード化する。pcDNA3の強化青色蛍光タンパク質(R.Y. Tsienの親切な贈り物)を、細胞質内同時トランスフェクションマーカーとして使用した。LDLR-APはAPを有し、ヒトLDLRのシグナル配列の後に挿入し、その結果、APは細胞表面で露出された。pEGFPのLDLR(Clontech)は、T. Kirchhausen(Harvard Medical School, US)の親切な贈り物であった。APを、プライマー

Figure 2011508793
及び
Figure 2011508793
を用いて逆PCRによって、pEGFP-LDLRに挿入した。EGFPを、プライマー
Figure 2011508793
及びその逆補体を用いてQuikChange(商標) (Stratagene)により除去した。LDLR-Alaを、以前に開示されたプライマを用いてQuikChange(商標)によってLDLR-APから生じた(Chen, I.らの論文 (2005). Nat.Methods 2, 99-104;及びChen, I., Ting, A.Y. (2005). Curr.Opin.Biotechnol. 16, 35-40を参照されたい。その各々は全体において引用により取り込まれている。)。これらの変化は、DNA配列決定によって検査した。FH LDLR-APは、突然変異を含み、プライマー
Figure 2011508793
及びその逆補体を用いてQuikchange(商標)により生じた。CMVbipep-neoのGluR2-APは、開示されている(Howarthらの論文, 2005)。pCIのポストシナプスマーカーHomer1b-GFPは、Yasunori Hayashi (MIT, US)の親切な贈り物であった。BirA-YFP-ERは構造:Igシグナル配列-HAタグ-BirA-YFP-KDELを有し、PCRによってE.コリBirA及び黄色蛍光タンパク質(YFP)をpDisplay (Invitrogen)に挿入し、かつQuikChange(商標)によってKDEL ER保持配列及びBirAの直後の停止コドンを挿入して生成した。 (Plasmid)
pEYFP-H2B was a kind gift from AK Leung (MIT, US). This encodes human histone H2B fused to EYFP as a nuclear local cotransfection marker. pcDNA3 enhanced blue fluorescent protein (a kind gift of RY Tsien) was used as a cytoplasmic co-transfection marker. LDLR-AP has AP and was inserted after the signal sequence of human LDLR, so that AP was exposed on the cell surface. LDLR (Clontech) from pEGFP was a kind gift from T. Kirchhausen (Harvard Medical School, US). AP, primer
Figure 2011508793
as well as
Figure 2011508793
Was inserted into pEGFP-LDLR by inverse PCR. EGFP, primer
Figure 2011508793
And its reverse complement was removed by QuikChange ™ (Stratagene). LDLR-Ala was generated from LDLR-AP by QuikChange ™ using previously disclosed primers (Chen, I. et al. (2005). Nat. Methods 2, 99-104; and Chen, I Curr. Opin. Biotechnol. 16, 35-40, each of which is incorporated by reference in its entirety). These changes were examined by DNA sequencing. FH LDLR-AP contains mutations and primers
Figure 2011508793
And its reverse complement using Quikchange ™. CMVbipep-neo's GluR2-AP has been disclosed (Howarth et al., 2005). The pCI post-synaptic marker Homer1b-GFP was a kind gift from Yasunori Hayashi (MIT, US). BirA-YFP-ER has the structure: Ig signal sequence-HA tag-BirA-YFP-KDEL, inserts E. coli BirA and yellow fluorescent protein (YFP) into pDisplay (Invitrogen) by PCR, and QuikChange (trademark) ) Inserted a KDEL ER retention sequence and a stop codon immediately after BirA.

YFPを除去し、Quikchange(商標)によってBirA-ERを得た。pEF-BOSのEphA3-APは、Martin Lackmann (Monash University, Australia)からの親切な贈り物であった。APを、プライマー

Figure 2011508793
及び
Figure 2011508793
を用いてヒトEphA3のシグナル配列の直後に、逆PCRによって挿入した。pCIのヒト癌胎児性抗原(CEA)は、G. Prud'homme (University of Toronto, Canada)の親切な贈り物であった。pcDNA3のヒトEGFR-AP及びpDisplayのAP-CFP-TMは、開示されている(Chenらの論文, 2005)。 YFP was removed and BirA-ER was obtained by Quikchange ™. pEF-BOS EphA3-AP was a kind gift from Martin Lackmann (Monash University, Australia). AP, primer
Figure 2011508793
as well as
Figure 2011508793
Was inserted by reverse PCR immediately after the signal sequence of human EphA3. pCI's human carcinoembryonic antigen (CEA) was a kind gift of G. Prud'homme (University of Toronto, Canada). The pcDNA3 human EGFR-AP and the pDisplay AP-CFP-TM have been disclosed (Chen et al., 2005).

(ナノクリスタルの非特異的結合)
エンドサイトーシスを最小化するためにPBS 中、5分間4℃に冷却されたHeLaを、10分間の0.5%透析ウシN,N-ジメチルカゼイン(Calbiochem)を含むPBS中の40nMナノクリスタルとともに4℃で10分間インキュベートした。その後、細胞を氷冷PBSで4回洗浄し、PBS中でイメージ化した。
(Non-specific binding of nanocrystals)
HeLa cooled to 4 ° C in PBS for 5 min to minimize endocytosis, 4 ° C with 40 nM nanocrystals in PBS containing 0.5% dialyzed bovine N, N-dimethylcasein (Calbiochem) for 10 min Incubated for 10 minutes. Cells were then washed 4 times with ice cold PBS and imaged in PBS.

(細胞のビオチン化及び標識化)
細胞を、2.6μMビオチンリガーゼ及び10μMビオチン-AMPを含むPBS 5mM MgCl2中、24℃で10分間、ビオチン化した(Howarthらの論文, 2006)。その後、細胞をPBSで4回洗浄し、0.5%透析ウシN,N-ジメチルカゼイン(Calbiochem)を含むPBS中の20nMナノクリスタルとともに、24℃で5分間インキュベートした。細胞をPBSで3回洗浄し、PBS中24℃でイメージ化した。
(Biotinylation and labeling of cells)
Cells were biotinylated in PBS 5 mM MgCl 2 containing 2.6 μM biotin ligase and 10 μM biotin-AMP for 10 minutes at 24 ° C. (Howarth et al., 2006). Cells were then washed 4 times with PBS and incubated for 5 minutes at 24 ° C. with 20 nM nanocrystals in PBS containing 0.5% dialyzed bovine N, N-dimethylcasein (Calbiochem). Cells were washed 3 times with PBS and imaged in PBS at 24 ° C.

BirA-ERを発現する細胞株のイメージ化のため、トランスフェクション4時間に、細胞を、10μMビオチンで補充した通常の成長培地(Tanabe USA)中でインキュベートした。翌日に細胞をPBSで4回洗浄し、0.5%透析カゼインを含むPBS中の20nM一価ナノクリスタルとともに24℃で5分間インキュベートした。特異性検査のために、細胞を、100 nMの一価ストレプトアビジンAlexa Fluor 568((Howarthらの論文, 2006)に開示されているように調製)とともに、3%透析ウシ血清アルブミンを含むPBS中4℃で10分間インキュベートした。その後、細胞をPBSで3回洗浄し、ライブでイメージ化した。EphA3-APクラスター形成の分析のため、細胞を10分間上記のようにビオチン化し、PBS中で3回洗浄し、続いて、10nM一価のナノクリスタル又は多価性ナノクリスタル(6mSA:ナノクリスタルのモル比)とともに37℃で14分間インキュベートした。細胞を氷冷PBS中で3回洗浄し、4℃でイメージ化した。ニューロンのビオチン化及びイメージ化のために、PBSをタイローズバッファー(Tyrode's buffer)と置き換えた。   For imaging of cell lines expressing BirA-ER, cells were incubated in normal growth medium (Tanabe USA) supplemented with 10 μM biotin 4 hours after transfection. The next day, the cells were washed 4 times with PBS and incubated for 5 minutes at 24 ° C. with 20 nM monovalent nanocrystals in PBS containing 0.5% dialyzed casein. For specificity testing, cells were prepared in PBS containing 3% dialyzed bovine serum albumin with 100 nM monovalent streptavidin Alexa Fluor 568 (prepared as disclosed in (Howarth et al., 2006)). Incubated for 10 minutes at 4 ° C. The cells were then washed 3 times with PBS and imaged live. For analysis of EphA3-AP cluster formation, cells were biotinylated as above for 10 minutes, washed 3 times in PBS, followed by 10 nM monovalent or multivalent nanocrystals (6 mSA: nanocrystals). The mixture was incubated at 37 ° C. for 14 minutes. Cells were washed 3 times in ice-cold PBS and imaged at 4 ° C. PBS was replaced with Tyrode's buffer for biotinylation and imaging of neurons.

(EDCカップリングによってナノクリスタルに連結されるストレプトアビジンでのEGFレセプター標識化)
COS7細胞を、48ウェルプレートの1ウェル当たり、0.2μgのpcDNA3 EGFR及び7.5ngのpcDNA3 BFPでトランスフェクションした。翌日に細胞を、5mM MgCl2、0.5%透析カゼイン及び90nMビオチン化EGF(Invitrogenからのビオチン-XX-EGF:長いスペーサアームを介してビオチンに単一サイトで連結したヒトEGF)を含むPBS中、室温で5分間インキュベートした。細胞をPBSで3回洗浄し、PBS、0.5%透析カゼイン及び70nM 20%アミノNC605-wtSAとともに5分間室温でインキュベートし、その後PBSで4回洗浄し、PBS中でイメージ化した。ネガティブコントロールとして、NC605-wtSAを500倍過剰量の遊離ビオチン(Tanabe, USA)とともに5分間室温でインキュベートし、その後、細胞に加えた。ビデオイメージ化のために、COS7細胞を、20 nM 20%アミノNC605-wtSAを用いた以外、上述のように標識化し、環境管理システム(Solent Scientific)を用いて、37℃で顕微鏡中に維持した。
(EGF receptor labeling with streptavidin linked to nanocrystals by EDC coupling)
COS7 cells were transfected with 0.2 μg pcDNA3 EGFR and 7.5 ng pcDNA3 BFP per well of a 48-well plate. The next day, cells in PBS containing 5 mM MgCl 2 , 0.5% dialyzed casein and 90 nM biotinylated EGF (Biotin-XX-EGF from Invitrogen: human EGF linked to biotin via a long spacer arm at a single site), Incubated for 5 minutes at room temperature. Cells were washed 3 times with PBS, incubated with PBS, 0.5% dialyzed casein and 70 nM 20% amino NC605-wtSA for 5 minutes at room temperature, then washed 4 times with PBS and imaged in PBS. As a negative control, NC605-wtSA was incubated with a 500-fold excess of free biotin (Tanabe, USA) for 5 minutes at room temperature and then added to the cells. For video imaging, COS7 cells were labeled as described above except with 20 nM 20% amino NC605-wtSA and maintained in the microscope at 37 ° C. using an environmental management system (Solent Scientific). .

(EGFレセプターに結合されたナノクリスタル及び色素のFRETのイメージ化)
PBS中の5倍モル過剰量のhSAを、20%アミノNC558又は20%アミノNC558-Alexa Fluor 568とともに室温で30分間インキュベートし、ナノクリスタルシェルにhSAのHis6-タグを安定して結合させた。HeLaを、48ウェルプレートの1ウェル当たり、0.2μgのpcDNA3 EGFR及び5ngのH2B-YFPでトランスフェクションした。その翌日に、細胞を5mM MgCl2、0.5%透析カゼイン及び60nMビオチン化EGF(Invitrogenからのビオチン-XX-EGF:長いスペーサアームを介してビオチンに単一サイトで連結したヒトEGF)を含むPBSとともにインキュベートし、レセプター内部移行を停止させた。細胞を冷PBSで4回洗浄し、PBS、0.5%透析カゼイン及び40nM QD558-hSA又はQD558-hSA-Alexa Fluor 568とともに4℃で5分間インキュベートし、その後、冷PBSで4回洗浄し、イメージ化した。
(FRET imaging of nanocrystals and dyes bound to EGF receptors)
A 5-fold molar excess of hSA in PBS was incubated with 20% amino NC558 or 20% amino NC558-Alexa Fluor 568 for 30 minutes at room temperature to stably bind the His 6 -tag of hSA to the nanocrystal shell. . HeLa was transfected with 0.2 μg pcDNA3 EGFR and 5 ng H2B-YFP per well of a 48 well plate. The next day, cells are combined with PBS containing 5 mM MgCl 2 , 0.5% dialyzed casein and 60 nM biotinylated EGF (Biotin-XX-EGF from Invitrogen: human EGF linked to biotin via a long spacer arm at a single site). Incubate to stop receptor internalization. Cells are washed 4 times with cold PBS, incubated with PBS, 0.5% dialyzed casein and 40 nM QD558-hSA or QD558-hSA-Alexa Fluor 568 for 5 minutes at 4 ° C, then washed 4 times with cold PBS for imaging did.

(蛍光及び位相差顕微鏡法)
HeLa細胞のイメージを、40x油浸レンズ及び3500でセットした増感Cascade IIカメラを有する落射蛍光顕微鏡(Photometrics)を反転したZeiss Axiovert 200Mを用いて、生細胞において収集した。YFP(495DF10励起、515DRLP二色性、530DF30発光)、Alexa Fluor 568(560DF20励起、585DRLP二色性、605DF30発光)、QD 565(405DF20励起、515DRLP二色性、565DF20発光)、及びQD 605(405DF20励起、585DRLP二色性、605DF30発光)イメージを収集し、Slidebookソフトウェア(Intelligent Imaging Innovations)を用いて分析した。典型的な暴露時間を0.1〜0.5秒とした。AlexaFluor 568蛍光は、30秒の強405DF20励起で退色した。蛍光イメージはバックグラウンド修正した。
(Fluorescence and phase contrast microscopy)
Images of HeLa cells were collected in live cells using a Zeiss Axiovert 200M inverted photometrics with a 40x oil immersion lens and an intensified Cascade II camera set at 3500. YFP (495DF10 excitation, 515DRLP dichroism, 530DF30 emission), Alexa Fluor 568 (560DF20 excitation, 585DRLP dichroism, 605DF30 emission), QD 565 (405DF20 excitation, 515DRLP dichroism, 565DF20 emission), and QD 605 (405DF20 Excitation, 585DRLP dichroism, 605DF30 emission) images were collected and analyzed using Slidebook software (Intelligent Imaging Innovations). Typical exposure time was 0.1-0.5 seconds. AlexaFluor 568 fluorescence faded with strong 405DF20 excitation for 30 seconds. The fluorescence image was background corrected.

(原子力顕微鏡検査)
ビオチン化DNAを、pIVEX-BirA(A. Griffiths, MRC Laboratory for Molecular Biology, UKの親切な贈り物)から、プライマー

Figure 2011508793
及び
Figure 2011508793
(Eurogentec)を有するTaqポリメラーゼを用いて、95℃で30秒、50℃で30秒、72℃で1分間の27サイクルの条件により、PCRによって生成した。そのDNAを、TAE中、臭化エチジウム-染色2%アガロースゲルにおいて9.3V/cmで30分間泳動させた。唯一の119bp PCR産物をUV下で視覚化し、QIAquickゲル抽出キット(Qiagen)を用いてddH2Oに抽出し、一定分量を−20℃で保存した。9nMビオチン化DNAを、10mMホウ酸ナトリウムpH 7.3中、3nMナノクリスタルとともに24℃で1時間インキュベートした。20μL 0.1%ポリ-L-リシン(Mw 500-2000)(Sigma)を、新たに切断されたマスコバイト雲母V2(Electron Microscopy Sciences)上にピペットで取った。3分間の培養の後、その雲母を1mLのddH2Oで洗浄し、窒素流下で乾燥した。20μLのDNA-ナノクリスタル複合体を、その雲母上にピペットで取った。6分後に、その雲母を、1mLのddH2Oでリンスし、窒素流下で乾燥した。その雲母を、273.3kHz共鳴周波数で作動する名目上<10nm(Veeco Probes)のチップ半径を有するエッチングされたTESPシリコンプローブを使用して、タッピングモードでDimension 3100原子間力顕微鏡(Digital Instruments, Santa Barbara CA)を用いてイメージ化した。高さ及び位相画像を、2Hzの走査速度及び256×256ピクセルの解像度で、1×1μm域全体にわたって同時に収集した。得られたイメージを、Nanoscope v 5.30ソフトウェア(Digital Instruments)を用いて分析した。 (Nuclear microscope inspection)
Biotinylated DNA from pIVEX-BirA (a kind gift from A. Griffiths, MRC Laboratory for Molecular Biology, UK)
Figure 2011508793
as well as
Figure 2011508793
It was generated by PCR using Taq polymerase with (Eurogentec) under conditions of 27 cycles of 95 ° C for 30 seconds, 50 ° C for 30 seconds, 72 ° C for 1 minute. The DNA was run on an ethidium bromide-stained 2% agarose gel in TAE for 30 minutes at 9.3 V / cm. A unique 119 bp PCR product was visualized under UV, extracted into ddH 2 O using the QIAquick gel extraction kit (Qiagen) and aliquots stored at −20 ° C. 9 nM biotinylated DNA was incubated for 1 hour at 24 ° C. with 3 nM nanocrystals in 10 mM sodium borate pH 7.3. 20 μL 0.1% poly-L-lysine (Mw 500-2000) (Sigma) was pipetted onto freshly cut muscovite mica V2 (Electron Microscopy Sciences). After 3 minutes incubation, the mica was washed with 1 mL ddH 2 O and dried under a stream of nitrogen. 20 μL of DNA-nanocrystal complex was pipetted onto the mica. After 6 minutes, the mica was rinsed with 1 mL ddH 2 O and dried under a stream of nitrogen. The mica was measured using a Dimension 3100 atomic force microscope (Digital Instruments, Santa Barbara) in tapping mode using an etched TESP silicon probe with a nominal radius <10 nm (Veeco Probes) operating at a 273.3 kHz resonant frequency. CA). Height and phase images were collected simultaneously over the entire 1 × 1 μm area with a scan rate of 2 Hz and a resolution of 256 × 256 pixels. The resulting images were analyzed using Nanoscope v 5.30 software (Digital Instruments).

(蛍光相関分光法)
二光子蛍光相関分光法は、顕微鏡対物の下で溶液中のナノクリスタルの発光の自己相関を測定し、較正された焦点体積における所要時間の動態、したがって拡散定数を決定する。その結果、拡散定数は、ストークス-アインシュタイン関係式を介して流体力学的直径と関連する。手製の装置は、Ar+イオンレーザーでポンプされ且つ〜120 fsのパルス幅及び80MHzの繰返し率で作動する、Coherent Ti-Sapphire発振器(Coherent Mira)からの780nmの光により開始する。光線は、40x, 1.2NA水浸対物(Zeiss)を通して送られる。蛍光は、720長期通過二色(720 longpass dichroic)(Chroma) 400nmホログラフィックノッチフィルタ及び適当な帯域通過を通してフィルターした前記と同じ対物を通して収集される。その結果、光は、2つのアバランシェフォトダイオード(EG&G及びSPCM-AQR14)に、50/50ビームスプリッタを介して通過する。信号は、マルチタウ自己相関器カード(multi-tau autocorrelator card)(ALV GmbH)によって相互相関される。この相互相関は、測定のノイズを減らし、フォトダイオードのアフターパルスからの人為的影響を除去する。3D焦点体積ウエスト及びアスペクト比は、標準3Dガウス近似に従って較正される。アスペクト比は、最初に、既知濃度のRH = 22nmビーズ(Duke Scientific, 製品G40)を用いて計算される。その後、この比率は、一連の新にフィルターしたビード(RH=22 nm、28.5nm、35.5nm、44nm、Duke Scientific, G40, G50, G75, G80)に適用され、ビームウエストが決定される。これらの一致のためのR2値は、0.999よりも大きかった。本発明者らは、点滅、飽和及び光退色が測定に影響するであろう体制下になかったことを確実にするため、試料を励起力の範囲で測定した(例えば、Larson, D. R.らの論文 Science 300[5624], 1434-1436. 2003を参照されたい。それは全体において引用により取り込まれている。)。最終的な測定のために、DHLA-PEG-CO2Hナノクリスタルを光で満たした対物の後焦点面で、0.75 mWで励起し、市販のナノクリスタル-SAを0.5mWで励起した。試料をそれぞれ30秒の10回作動で測定し、r2値は平均的曲線>0.998であった。流体力学的直径を、開示されているように計算した(例えば、Schwille, P.らの論文(1996). Biochemistry 35, 10182-10193を参照されたい。それは全体において引用により取り込まれている。)。
(Fluorescence correlation spectroscopy)
Two-photon fluorescence correlation spectroscopy measures the autocorrelation of the emission of nanocrystals in solution under a microscope objective and determines the time dynamics and thus the diffusion constant in the calibrated focal volume. As a result, the diffusion constant is related to the hydrodynamic diameter via the Stokes-Einstein relation. The homemade apparatus starts with 780 nm light from a Coherent Ti-Sapphire oscillator (Coherent Mira) pumped with an Ar + ion laser and operating at a pulse width of ˜120 fs and a repetition rate of 80 MHz. The light beam is sent through a 40x, 1.2NA immersion objective (Zeiss). Fluorescence is collected through a 720 longpass dichroic (Chroma) 400 nm holographic notch filter and the same objective filtered through the appropriate bandpass. As a result, the light passes through two avalanche photodiodes (EG & G and SPCM-AQR14) through a 50/50 beam splitter. The signals are cross-correlated by a multi-tau autocorrelator card (ALV GmbH). This cross-correlation reduces measurement noise and eliminates artifacts from photodiode afterpulses. The 3D focal volume waist and aspect ratio are calibrated according to the standard 3D Gaussian approximation. The aspect ratio is first calculated using known concentrations of R H = 22 nm beads (Duke Scientific, product G40). This ratio is then applied to a series of newly filtered beads (R H = 22 nm, 28.5 nm, 35.5 nm, 44 nm, Duke Scientific, G40, G50, G75, G80) to determine the beam waist. The R 2 value for these agreements was greater than 0.999. We measured samples in the range of excitation forces to ensure that flashing, saturation and photobleaching were not under the regime that would affect the measurement (e.g., Larson, DR et al. Science 300 [5624], 1434-1436. 2003. It is incorporated by reference in its entirety. For final measurements, DHLA-PEG-CO 2 H nanocrystals were excited at 0.75 mW at the back focal plane of the object filled with light, and commercially available nanocrystal-SA was excited at 0.5 mW. Samples were measured in 10 actuations each for 30 seconds and the r 2 value was an average curve> 0.998. The hydrodynamic diameter was calculated as disclosed (see, eg, Schwille, P. et al. (1996). Biochemistry 35, 10182-10193, which is incorporated by reference in its entirety). .

(抗体産生)
抗CEA scFv sm3Eのための分泌ベクターは、開示されている(Graff, C.P.らの論文 (2004). Protein Eng Des Sel 17, 293-304、それは全体において引用により取り込まれている。)。タンパク質二量体化を防ぐために、ジスルフィド結合を、残基R44及びG234をQuikChange(商標)でシステインに変異させて、scFvのVHとVL領域の間に挿入した。また、QuikChange(商標)を用いて、PEG化のためにHis6タグの直前のscFvのC末端にシステインを挿入した。プラスミドを、EZ 酵母キット(Zymo Research)を使用してYVH10酵母に変え、40μg/mLトリプトファンで補充されたSD-CAA培地に播種した。個々のコロニーを1Lのフラスコで増殖させ、開示されているように37℃で48時間分泌を誘発した(Graffらの論文, 2004)。透明な上清を、10kDa限外ろ過膜(Millipore)で濃縮し、製造業者のバッチ-カラムプロトコルに続いて、Hisタグ化タンパク質をTalon金属親和性樹脂(BD Biosciences)で精製した。モノマーscFvsを、Superdex 75カラム(GE Healthcare)によるサイズ排除クロマトグラフィーで更に精製し、PEG化緩衝液(100mMのNa2HPO4、500mMのNaCl、2mMのEDTA、pH 6.5)に溶出した。未改質scFvは、ナノクリスタルへの連結後に、分離したバンドを与えるにはあまりに小さい(27kDa)、しかし、scFvのPEG化は、抗原認識を損なうことなく、有効な水力学的サイズを著しく増加させる。PEG化のために、0.5-1mg/mLの濃度のscFvsを、5倍モル過剰量の5kDa PEG-マレイミド(Nektar)及び1mLの反応あたり150μLゲル濃度でゲルを減少する固定化トリス[2-カルボキシエチル]ホスフィン塩酸塩(TCEP)で共インキュベートした。C末端システインを還元する可溶性TCEP又はジチオスレイトールの代わりにTCEP樹脂を使用することにより、タンパク質中の部分的に覆い隠されたジスルフィド結合の還元を防止した。反応混合物を、ロッカー上で5時間、25℃でインキュベートした。その後、TCEP樹脂を遠心によって除去した。未反応PEGを、20mMのトリスHCl(pH 8.2 )で平衡化したHi-Qカラム(GE Healthcare)のイオン交換クロマトグラフィーによって除去した。PEG化scFvsを、0.5mL/分の流速で、Superdex 75カラム上の非連結化scFvsと分離し、PBS中に溶出した。PEG化効率及び連結体の純度は、SDS-PAGEによって評価した。
(Antibody production)
A secretion vector for anti-CEA scFv sm3E has been disclosed (Graff, CP et al. (2004). Protein Eng Des Sel 17, 293-304, which is incorporated by reference in its entirety). To prevent protein dimerization, disulfide bonds were inserted between the VH and VL regions of scFv by mutating residues R44 and G234 to cysteine with QuikChange ™. In addition, cysteine was inserted into the C-terminus of scFv immediately before the His 6 tag for PEGylation using QuikChange (trademark). The plasmid was changed to YVH10 yeast using the EZ yeast kit (Zymo Research) and seeded in SD-CAA medium supplemented with 40 μg / mL tryptophan. Individual colonies were grown in 1 L flasks and induced to secrete for 48 hours at 37 ° C. as disclosed (Graff et al., 2004). The clear supernatant was concentrated with a 10 kDa ultrafiltration membrane (Millipore) and His-tagged protein was purified with Talon metal affinity resin (BD Biosciences) following the manufacturer's batch-column protocol. Monomeric scFvs were further purified by size exclusion chromatography on a Superdex 75 column (GE Healthcare) and eluted in PEGylation buffer (100 mM Na 2 HPO 4 , 500 mM NaCl, 2 mM EDTA, pH 6.5). Unmodified scFv is too small (27 kDa) to give separated bands after ligation to nanocrystals, but PEGylation of scFv significantly increases effective hydrodynamic size without compromising antigen recognition Let For PEGylation, scFvs at a concentration of 0.5-1 mg / mL was added to a 5-fold molar excess of 5 kDa PEG-maleimide (Nektar) and immobilized Tris [2-carboxyl to reduce the gel at a 150 μL gel concentration per 1 mL reaction. Co-incubation with ethyl] phosphine hydrochloride (TCEP). The use of TCEP resin instead of soluble TCEP or dithiothreitol to reduce the C-terminal cysteine prevented the reduction of partially obscured disulfide bonds in the protein. The reaction mixture was incubated at 25 ° C. for 5 hours on a rocker. Thereafter, the TCEP resin was removed by centrifugation. Unreacted PEG was removed by ion exchange chromatography on a Hi-Q column (GE Healthcare) equilibrated with 20 mM Tris HCl (pH 8.2). PEGylated scFvs were separated from unlinked scFvs on a Superdex 75 column at a flow rate of 0.5 mL / min and eluted in PBS. The PEGylation efficiency and the purity of the conjugate were evaluated by SDS-PAGE.

(配位子合成)
ジアミン官能化ポリエチレングリコールは、安価かつ市販のPEG(平均MW 400)開始物質から、最小限の要求される精製工程とともに3段階の反応を介して高収率で合成した(スキーム1)。全収率は、30gスケール上で89%であった。全ての中間生成物は、FTIR分光法によって容易にモニターされた。
(Ligand synthesis)
The diamine functionalized polyethylene glycol was synthesized in high yield from an inexpensive and commercially available PEG (average MW 400) starting material via a three step reaction with minimal required purification steps (Scheme 1). The overall yield was 89% on a 30 g scale. All intermediate products were easily monitored by FTIR spectroscopy.

Figure 2011508793
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化合物3(DHLA-PEG-NH2)との配位子交換後、ナノクリスタルは水分散性となり、単純なN-ヒドロキシスクシンイミジル(NHS)カップリング化学を経て、更なる共有結合性修飾され得る表面アミノ基を有した。 After ligand exchange with compound 3 (DHLA-PEG-NH 2 ), the nanocrystals become water dispersible and undergo further covalent modification via simple N-hydroxysuccinimidyl (NHS) coupling chemistry Had surface amino groups that could be

あるいは、化合物2を更に修飾し、化合物6(DHLA-PEG-CO2H)を得て、配位子交換後に、水分散性カルボキシル表面基を有するナノクリスタルを与えた。 Alternatively, compound 2 was further modified to give compound 6 (DHLA-PEG-CO 2 H), which gave nanocrystals with water-dispersible carboxyl surface groups after ligand exchange.

示した合成スキームは、一末端にナノクリスタル表面への強い配位のための多座配位性部位、水溶性を伝達し且つ非特異的結合を減らす短いスペーサ、及び末端に更なる誘導体化を可能にするイオン化官能性を有するヘテロ二官能性配位子に関する単純な手段を提供する。さらに、全てのカップリングは、加水分解に対してエステル結合より安定であるアミド結合形成を介して達成されることができる。この特徴は、細胞環境が多くの非特異的エステラーゼを含み得る細胞標識化において、安定性に関して特に適切となり得る(例えば、Gerolf, V. Z., ACTA Path. Micro. IM. B. 1970, 78, 258-260を参照されたい。それは全体において引用により取り込まれている。)。   The synthetic scheme shown has a multidentate coordination site at one end for strong coordination to the nanocrystal surface, a short spacer that transmits water solubility and reduces non-specific binding, and further derivatization at the end. It provides a simple means for heterobifunctional ligands with ionizing functionality that allow. Furthermore, all coupling can be achieved through amide bond formation, which is more stable than hydrolysis to ester bonds. This feature can be particularly relevant for stability in cell labeling where the cellular environment can contain many non-specific esterases (eg, Gerolf, VZ, ACTA Path. Micro. IM. B. 1970, 78, 258- (See 260, which is incorporated by reference in its entirety.)

(官能性親水性ナノクリスタルの配位子交換及び特徴付け)
565及び600nmで発光するナノクリスタルを、周知の文献手順に従って、幾つかの変更態様で合成した。簡潔には、Cd及びSe前駆体を熱い溶媒系に迅速に注入して、CdSeコアを形成した。続いて、そのコアを沈殿により精製し、配位溶媒中に再分散し、約5つの単層の合金ZnxCd(1-x)Sシェル(x≒0.7)でオーバーコートした。図1Aに示したように、合金シェルの形成は、シェル成長において、吸光度最大の30nmもの大きいレッドシフトが付随された。図1Aは、CdSeコア(黒)及びオーバーコーティング後のCdSe(ZnxCd(1-x)S))コア(シェル) (赤)のNC605吸収スペクトルを示す。1サイクルの沈殿後にヘキサン中のNC605を520 nmで励起した蛍光スペクトル(緑、QY=65%)、及び化合物3で配位子交換した後にPBS緩衝液中のNC605を520 nmで励起した蛍光スペクトル(青、QY = 43%)は、最小の減少を示す。
(Ligand exchange and characterization of functional hydrophilic nanocrystals)
Nanocrystals emitting at 565 and 600 nm were synthesized in several variations according to well-known literature procedures. Briefly, Cd and Se precursors were rapidly injected into a hot solvent system to form a CdSe core. Subsequently, the core was purified by precipitation, redispersed in a coordinating solvent, and overcoated with about five single layer alloys Zn x Cd (1-x) S shell (x≈0.7). As shown in FIG. 1A, the formation of the alloy shell was accompanied by a red shift as great as 30 nm in absorbance at the shell growth. FIG. 1A shows NC605 absorption spectra of a CdSe core (black) and an overcoated CdSe (Zn x Cd (1-x) S)) core (shell) (red). Fluorescence spectrum of NC605 in hexane excited at 520 nm after 1 cycle precipitation (green, QY = 65%), and fluorescence spectrum of NC605 in PBS buffer excited at 520 nm after ligand exchange with compound 3. (Blue, QY = 43%) indicates the smallest decrease.

合金シェルの使用は、純粋なZnSシェルでオーバーコートされたナノクリスタルと比較して水溶液への移動において、ナノクリスタルの量子収率を2倍も強化するとわかった。DHLA-PEG-NH2(化合物3)及びDHLA-PEG-CO2H(化合物6)を用いたCdSe(ZnxCd(1-x)S)コア(シェル)ナノクリスタルの配位子交換を、以前に報告されている手順に従って実施した(例えば、Uyeda, H. T.らの論文, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 3870-3878を参照されたい。それは全体において引用により取り込まれている。)。簡潔には、成長溶液中のナノクリスタルの200μLを極性溶媒の添加によって沈殿させ、〜10mgの乾燥ペレットを得て、50μLのニートDHLA-PEG誘導体化配位子及び10μLのMeOHを加えた。混合物を、N2下、2.5時間、60℃で穏やかに撹拌し、エタノール、クロロホルム及びヘキサンの添加によって沈殿させた。3000gで2分間遠心し、過剰量の配位子及び有機可溶性不純物を含む透明上清を得て、それを廃棄した。ペレットを、0.5mLのリン酸緩衝食塩水(PBS、pH 7.4)中に分散させ、凝集体を除去するために0.2μmフィルタを通して濾過し、2サイクルの限外ろ過によって精製した。DHLA-PEG-NH2(化合物3)でキャップされたナノクリスタルの典型的QYは33%であり、一方、DHLA-PEG-CO2H(化合物6)でキャップされたナノクリスタルのQYは水可溶化後に43%と同じ程度であった。 The use of an alloy shell has been found to enhance the quantum yield of nanocrystals by a factor of 2 in migration to aqueous solution compared to nanocrystals overcoated with pure ZnS shell. Ligand exchange of CdSe (Zn x Cd (1-x) S) core (shell) nanocrystals using DHLA-PEG-NH 2 (compound 3) and DHLA-PEG-CO 2 H (compound 6) Performed according to previously reported procedures (see, eg, Uyeda, HT et al., J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 3870-3878, which is incorporated by reference in its entirety. ). Briefly, 200 μL of nanocrystals in the growth solution was precipitated by addition of polar solvent to obtain ˜10 mg of dry pellets, and 50 μL of neat DHLA-PEG derivatized ligand and 10 μL of MeOH were added. The mixture was gently stirred at 60 ° C. under N 2 for 2.5 hours and precipitated by the addition of ethanol, chloroform and hexane. Centrifugation at 3000 g for 2 minutes gave a clear supernatant containing excess ligand and organic soluble impurities, which was discarded. The pellet was dispersed in 0.5 mL phosphate buffered saline (PBS, pH 7.4), filtered through a 0.2 μm filter to remove aggregates, and purified by two cycles of ultrafiltration. The typical QY of nanocrystals capped with DHLA-PEG-NH 2 (compound 3) is 33%, while the QY of nanocrystals capped with DHLA-PEG-CO 2 H (compound 6) is water-soluble. It was about 43% after solubilization.

DHLA-PEG-CO2HでキャップされたナノクリスタルのHDを、動的光散乱(DLS)で測定し、NC605について〜11.2 nmであることがわかった。HD = 11.2nmを有する、PBS中の化合物3と配位子交換されるNC605の代表的DLSデータを示す図1Bを参照されたい。予想通り、化合物3又は化合物6で配位子交換された同じナノクリスタルのHDは、配位子コーティングの同程度のサイズに起因する約〜11 nmのほぼ同一のHDを示した。 The HD of nanocrystals capped with DHLA-PEG-CO 2 H was measured by dynamic light scattering (DLS) and found to be ˜11.2 nm for NC605. See FIG. 1B showing representative DLS data for NC605 ligand exchanged with Compound 3 in PBS, with HD = 11.2 nm. As expected, the HD of the same nanocrystal ligand exchanged with Compound 3 or Compound 6 showed approximately the same HD of about ˜11 nm due to the comparable size of the ligand coating.

化合物3又は化合物6と配位子交換されたナノクリスタルの安定性を、pH 5からpH 9の範囲の水性緩衝液中で試験した。周囲実験室条件下の2日後に、ナノクリスタルは溶液中で十分な分散を維持した。以前の報告と整合したDHLA-PEG系配位子で被覆したナノクリスタルの優れたpH安定性を強調する。   The stability of nanocrystals ligand exchanged with Compound 3 or Compound 6 was tested in aqueous buffer ranging from pH 5 to pH 9. After 2 days under ambient laboratory conditions, the nanocrystals remained well dispersed in the solution. It highlights the excellent pH stability of nanocrystals coated with DHLA-PEG-based ligands consistent with previous reports.

(混合配位子系を用いて表面電荷及び官能基価数の調整)
化合物3又は化合物6で配位子交換されたナノクリスタルは、それぞれ、中性緩衝液中において正及び負に荷電される表面を有し、不動態化PEGスペーサにもかかわらず非特異的結合に関与することができる。表面電荷は、ナノクリスタル表面上のアミン又はカルボキシ官能基の比率に加えて、化合物3又は化合物6と中性DHLA-PEG8-OHとの混合物を用いて配位子交換することにより調整されることができ、以前に報告された手順に従って合成される。異なるDHLA系配位子の混合物を用いる配位子交換の概念は、その全体において引用により取り込まれているUyeda, H. T.らの論文, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 3870-3878によって最初に示された。同様に、本発明者らは、DHLA-PEG-NH2又はDHLA-PEG-CO2HとDHLA-PEG-OHとの比率を変化させた混合物を用いて配位子交換することにより、混合配位子水性ナノクリスタルを調製した。得られたナノクリスタルの表面電荷は、ゼータ電位及びアガロースゲル電気泳動(図2A及び2Bを参照)によって分析した。測定は、単にDHLA-PEG-NH2でキャップされたナノクリスタルが+36.2 mVのゼータ電位を有し、配位子混合物中の-NH2組成物の減少と共にほぼ線形様式で減少することを示した。類似の傾向がカルボキシ被覆ナノクリスタル(図2A)で観測され、電気泳動ゲル移動度(図2B)において反映された。また、100%DHLAで被覆されたナノクリスタルは比較のための測定に含められ、DHLAキャップ化ナノクリスタルが、より高い配位子充填密度及び/又はより小さい流体力学半径を有するため、100%のDHLA-PEG-CO2H被覆ナノクリスタルより高い負電荷を有することを示した。
(Adjustment of surface charge and functional group valence using mixed ligand system)
Nanocrystals ligand-exchanged with Compound 3 or Compound 6, respectively, have surfaces that are positively and negatively charged in neutral buffer, resulting in nonspecific binding despite the passivated PEG spacer. Can be involved. The surface charge is adjusted by ligand exchange using a mixture of compound 3 or compound 6 and neutral DHLA-PEG 8 -OH in addition to the ratio of amine or carboxy functional groups on the nanocrystal surface. Can be synthesized according to previously reported procedures. The concept of ligand exchange using a mixture of different DHLA-based ligands is described by Uyeda, HT et al., J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 3870-3878, which is incorporated by reference in its entirety. First shown. Similarly, the present inventors performed mixed exchange by ligand exchange using DHLA-PEG-NH 2 or a mixture in which the ratio of DHLA-PEG-CO 2 H and DHLA-PEG-OH was changed. A ligand aqueous nanocrystal was prepared. The surface charge of the resulting nanocrystals was analyzed by zeta potential and agarose gel electrophoresis (see FIGS. 2A and 2B). Measurements show that nanocrystals simply capped with DHLA-PEG-NH 2 have a zeta potential of +36.2 mV and decrease in a nearly linear fashion with decreasing -NH 2 composition in the ligand mixture. It was. A similar trend was observed with carboxy-coated nanocrystals (Figure 2A) and was reflected in electrophoretic gel mobility (Figure 2B). Nanocrystals coated with 100% DHLA are also included in the measurement for comparison, and DHLA-capped nanocrystals have a higher ligand packing density and / or a smaller hydrodynamic radius, so 100% It was shown to have a higher negative charge than DHLA-PEG-CO 2 H coated nanocrystals.

混合配位子系を用いる配位子交換は、表面電荷を調整し、ナノクリスタル表面上の官能基の1粒子当たりの価数を制御する。1ナノクリスタル当たりの反応性官能基数は、アミン被覆ナノクリスタルを、迅速に一級アミンと反応して487nmでモニターできる蛍光産物を形成する蛍光発生プローブのフルオレサミンに曝すことによって調査した。-NH2及び-OH官能化DHLA-PEGの様々な混合物で配位子交換したナノクリスタルを、繰り返し限外ろ過により精製し、過剰量の配位子を除去し、過剰量のフルオレサミンと反応させた。既知濃度で3の試料と反応後、フルオレサミンの蛍光強度を較正することにより、100%のDHLA-PEG-NH2配位子交換ナノクリスタルに対して〜140のアミン/ナノクリスタルの推定値を得た。これは、少し異なる方法を用いて得られた以前に報告された値と一致している(Ballou, B.らの論文, Bioconjugate Chem. 2004, 15, 79-86、それはその全体において引用により取り込まれている。)。さらにまた、キャップ-交換混合物において使用されるアミン末端配位子の割合と、1ナノクリスタル当たり検出されるアミンの量に関して、ほぼ線形の相関が得られた。 Ligand exchange using a mixed ligand system adjusts the surface charge and controls the valence per particle of functional groups on the nanocrystal surface. The number of reactive functional groups per nanocrystal was investigated by exposing amine-coated nanocrystals to the fluorogenic probe fluorescamine, which rapidly reacts with primary amines to form a fluorescent product that can be monitored at 487 nm. Nanocrystals ligand exchanged with various mixtures of -NH 2 and -OH functionalized DHLA-PEG are repeatedly purified by ultrafiltration to remove excess ligand and react with excess fluorescamine. It was. Obtained after the reaction with the 3 samples at known concentration, by calibrating fluorescence intensity of fluorescamine, an estimate of 140 amines / nanocrystal for 100% of the DHLA-PEG-NH 2 ligand exchange nanocrystals It was. This is consistent with previously reported values obtained using a slightly different method (Ballou, B. et al., Bioconjugate Chem. 2004, 15, 79-86, which is incorporated by reference in its entirety. .) Furthermore, a nearly linear correlation was obtained with respect to the proportion of amine-terminated ligand used in the cap-exchange mixture and the amount of amine detected per nanocrystal.

これらの結果は、荷電及び中性DHLA-PEG系配位子の混合配位子混合物の使用が、得られる水溶性ナノクリスタルの最終的な表面組成及び電荷を正確に調整する単純かつ強力な方法を提供することを示唆した。このような混合配位子系は、ナノクリスタルが用途のために1粒子当たり高い十分な価数の表面アミノ又はカルボキシル基を示し、一方で、その非特異的結合を軽減し得る最小限度の荷電粒子表面を維持するための手段を提供することができる。   These results show that the use of a mixed ligand mixture of charged and neutral DHLA-PEG-based ligands is a simple and powerful way to accurately adjust the final surface composition and charge of the resulting water-soluble nanocrystals Suggested to provide. Such a mixed ligand system is such that the nanocrystal exhibits a high enough valency surface amino or carboxyl group per particle for the application, while minimizing the charge that can reduce its non-specific binding. Means can be provided for maintaining the particle surface.

(非特異的細胞結合の評価)
非特異的結合の問題は、細胞標識化用途に有用なナノクリスタルのために、特に、高いシグナル対ノイズ比が有意なデータを得るのに限界である単一分子イメージングのために対処されなければならない。ナノクリスタルイメージング実験において、非特異的細胞結合は、荷電ナノクリスタル配位子被覆を有する細胞表面の静電的相互作用に部分的に起因し、不完全な配位子交換の結果として、細胞膜の脂質とナノクリスタル表面上の残余の疎水性キャッピング配位子との疎水性相互作用によって生じる場合もある。例えば、Bentzen, E. L.らの論文, Bioconjugate Chem. 2005, 16, 1488-1494を参照されたい。それは全体において引用により取り込まれている。)。様々な配位子で被覆されたナノクリスタルをヒト細胞株に4℃で10分間曝した。その後、未結合のナノクリスタルを除去するために細胞を緩衝液で洗浄し、残余のナノクリスタル蛍光をイメージ化して、配位子組成物の機能として非特異的結合の効果を調査した。図3を参照。
(Evaluation of non-specific cell binding)
The problem of non-specific binding must be addressed for nanocrystals useful for cell labeling applications, especially for single molecule imaging where high signal-to-noise ratio is the limit to obtain meaningful data. Don't be. In nanocrystal imaging experiments, nonspecific cell binding is due in part to electrostatic interactions on the cell surface with a charged nanocrystal ligand coating, and as a result of incomplete ligand exchange, It may also be caused by hydrophobic interactions between the lipid and the remaining hydrophobic capping ligand on the nanocrystal surface. See, for example, Bentzen, EL et al., Bioconjugate Chem. 2005, 16, 1488-1494. It is incorporated by reference throughout. ). Nanocrystals coated with various ligands were exposed to human cell lines at 4 ° C. for 10 minutes. The cells were then washed with buffer to remove unbound nanocrystals and the remaining nanocrystal fluorescence was imaged to investigate the effect of nonspecific binding as a function of the ligand composition. See Figure 3.

図3の全ての蛍光イメージは同一のカメラ条件の下で得られたものであり、それらを直接比較することができるように同じコントラストレベルで表示した。コントロール試料(図3A)は、細胞自己蛍光からの発光を示した。負荷電DHLAで被覆されたナノクリスタルは、細胞及びガラスに有意な非特異的結合を示した(図3B)。中性DHLA-PEG-OH被覆ナノクリスタルは、予想された最小の非特異的結合を示した(図3C)。このケースにおいて、細胞自己蛍光がはっきりと見られた。非特異的に結合した幾つかの個々のナノクリスタルを矢印で示す。意外なことに、アガロースゲルシフトによって示されるようにDHLA被覆ナノクリスタルと類似の電荷を有するDHLA-PEG-CO2H被覆ナノクリスタルも、中性PEG-OH官能化ナノクリスタルで見られた非特異的細胞結合と比べて、最小の非特異的細胞結合を示した(図3D)。負電荷にもかかわらずDHLA-PEG-CO2H被覆ナノクリスタルの非特異的結合の欠如は、非特異的結合の減少においてPEGスペーサの重要な役割を強調する(図3C)。しかし、ジヒドロリポアート(dihydrolipoate)部分が周囲条件下で数日のうちに部分的にその環閉形態に酸化したDHLA-PEG-CO2H試料で配位子交換を行ったとき、非特異的結合の程度は増加した。非特異的結合のこの増加は、配位子交換の効率の低下に起因していた。おそらく最初の疎水性キャッピングシェルの不完全な置換をもたらす。最小の非特異的結合のために、遮光下、<4℃、N2雰囲気下でDHLA系化合物を保存し、酸化を最小化することは重要であった。 All fluorescence images in FIG. 3 were obtained under the same camera conditions and were displayed at the same contrast level so that they could be directly compared. The control sample (FIG. 3A) showed luminescence from cell autofluorescence. Nanocrystals coated with negatively charged DHLA showed significant non-specific binding to cells and glass (FIG. 3B). Neutral DHLA-PEG-OH coated nanocrystals showed the expected minimal non-specific binding (FIG. 3C). In this case, cell autofluorescence was clearly seen. Several individual nanocrystals that are non-specifically bound are indicated by arrows. Surprisingly, DHLA-PEG-CO 2 H-coated nanocrystals, which have a similar charge as DHLA-coated nanocrystals as shown by agarose gel shift, are also non-specific seen in neutral PEG-OH functionalized nanocrystals. It showed minimal non-specific cell binding compared to cell binding (FIG. 3D). The lack of non-specific binding of DHLA-PEG-CO 2 H-coated nanocrystals despite the negative charge highlights the important role of PEG spacers in reducing non-specific binding (FIG. 3C). However, when ligand exchange was performed with a DHLA-PEG-CO 2 H sample in which the dihydrolipoate moiety was partially oxidized to its ring-closed form within a few days under ambient conditions, The degree of binding increased. This increase in non-specific binding was due to a decrease in the efficiency of ligand exchange. Probably results in incomplete replacement of the first hydrophobic capping shell. For minimal non-specific binding, it was important to store DHLA compounds under light shielding, <4 ° C., under N 2 atmosphere to minimize oxidation.

一方、DHLA-PEG-NH2被覆ナノクリスタルは、細胞膜へのひどい非特異的結合を示した(データ示さず)。これは、強く正に荷電したナノクリスタルと負に荷電した細胞膜との静電的相互作用に起因していた。しかし、-OH官能化DHLA-PEGに対して-NH2官能化DHLA-PEGの20%混合物で被覆したナノクリスタル(図3E)は、-OH官能化DHLA-PEG単独よりも非特異的結合を有意に示さなかった。 On the other hand, DHLA-PEG-NH 2 coated nanocrystals showed terrible non-specific binding to the cell membrane (data not shown). This was due to electrostatic interactions between strongly positively charged nanocrystals and negatively charged cell membranes. However, -OH functionalized DHLA-PEG nanoparticles were coated with a 20% mixture of -NH 2 functionalized DHLA-PEG with respect to the crystal (Fig. 3E) is a non-specific binding than the -OH functionalized DHLA-PEG alone Not shown significantly.

これらの結果は、DHLA-PEG-CO2H及び20%DHLA-PEG-NH2被覆ナノクリスタルが細胞への最小の非特異的結合を示し、それらが細胞標識化及び単一粒子イメージング用途に適していることを示唆している。また、20%DHLA-PEG-NH2被覆ナノクリスタルは、ナノクリスタルの表面特性を所望の用途に合わせるため、混合配位子系を用いて配位子交換を行う重要性及び汎用性を示す。 These results show that DHLA-PEG-CO 2 H and 20% DHLA-PEG-NH 2 coated nanocrystals show minimal non-specific binding to cells, making them suitable for cell labeling and single particle imaging applications Suggests that In addition, 20% DHLA-PEG-NH 2 coated nanocrystals show the importance and versatility of ligand exchange using a mixed ligand system to match the surface properties of the nanocrystals to the desired application.

(FRET系検出のための色素への共有結合的連結)
ルーチン的誘導体化のための混合アミン/ヒドロキシル-PEGキャップ化ナノクリスタルの適合性を評価するために、80%-OH及び20%-NH2末端配位子で被覆したナノクリスタルを、赤色発光有機蛍光色素であるカルボキシ-X-ローダミン(ROX)のアミン反応性N-ヒドロキシスクシンイミジルエステル(図4A)と反応させた。ナノクリスタル光ルミネセンスと色素吸光度とのスペクトル重なり部分は、ナノクリスタルから色素への効率的なフェルスター共鳴エネルギー移動(FRET)を生じる。それ自体、この系は、最近調査されている化学的高感度ナノクリスタル-色素エネルギー移動系の良好なモデルとして役立つ(Snee, P. T.らの論文, J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 13320-13321、それは全体において引用により取り込まれている。)。
(Covalent linkage to dye for FRET detection)
To evaluate the suitability of mixed amine / hydroxyl -PEG capped nanocrystals for routine derivatization, nanocrystals coated with 80% -OH and 20% -NH 2 terminus ligand, the red light emitting organic It was reacted with an amine-reactive N-hydroxysuccinimidyl ester of the fluorescent dye carboxy-X-rhodamine (ROX) (FIG. 4A). The spectral overlap between nanocrystal photoluminescence and dye absorbance results in efficient Forster resonance energy transfer (FRET) from the nanocrystal to the dye. As such, this system serves as a good model for a recently investigated chemically sensitive nanocrystal-dye energy transfer system (Snee, PT et al., J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 13320 -13321, which is incorporated by reference in its entirety.)

ROXスクシンイミジルエステルとの反応後に、ナノクリスタルを、限外ろ過を介して未結合色素及びNHS副生成物から分離した。UV-Vis吸収スペクトルを用いて、精製前後の色素:ナノクリスタルのモル比をモニターした。図4Bは明らかに可視できる色素吸収ピークを有する出発ナノクリスタル、反応混合物及び精製物の吸収スペクトルを示す。ナノクリスタル及び色素寄与の合計としてのスペクトル一致は、混合時5.0、及び精製時2.9の色素:ナノクリスタル比を表し、これは58%のカップリング収率を表す。対照実験(図4C)において、同じバッチからのナノクリスタル試料を、同一の反応条件下で遊離酸形態のROXと混合した。精製に応じて3.4%未満の色素が残った。連結手順の温和条件下では遊離カルボン酸を有する一級アミンが反応しないことが予想されたため、予想通りであった。   After reaction with ROX succinimidyl ester, the nanocrystals were separated from unbound dye and NHS byproduct via ultrafiltration. UV-Vis absorption spectra were used to monitor the dye: nanocrystal molar ratio before and after purification. FIG. 4B shows the absorption spectra of the starting nanocrystal, reaction mixture and purified product with clearly visible dye absorption peaks. Spectral agreement as the sum of nanocrystal and dye contributions represents a dye: nanocrystal ratio of 5.0 on mixing and 2.9 on purification, which represents a coupling yield of 58%. In a control experiment (FIG. 4C), nanocrystal samples from the same batch were mixed with the free acid form of ROX under the same reaction conditions. Less than 3.4% dye remained upon purification. As expected, primary amines with free carboxylic acids would not react under the mild conditions of the ligation procedure.

ナノクリスタル-色素対のFRET効率は、色素連結後にナノクリスタル蛍光消光の量を測定することによって、〜90%であると推定した。測定されたFRET効率、測定された1ナノクリスタル当たりの色素の量及びフェルスター距離(R0 = 5.6nm)から、分離距離はr=4.8nmであると計算された(例えば、Aaron R. Clappらの論文 ChemPhysChem 2006, 7, 47-57を参照されたい。それは全体において引用により取り込まれている。)。精製されたナノクリスタル-ROX連結体を、280nmでの吸光度のインライン検出及び460nmで励起した全スペクトル蛍光の獲得を用いて、ゲル濾過クロマトグラフィ(GFC)によってさらに特徴付けした。周知の流体力学的直径(HD)のタンパク質分子量標準(図4D)との比較により、調査中の試料についてサイズの表示を提供した。図4Eは、図4Bに示した精製ナノクリスタル-ROX連結体についてのGFC結果を示す。15.7mLの溶出量で、〜94kDのタンパク質等価分子量又は〜8.2nmのHDに相当し、DLSにより得られたHDと合理的に一致する、単一UV吸収特徴を検出した。この量での発光スペクトルは、それぞれ、ナノクリスタル及びROX発光波長に相当する、558nm及び610nmの2つの顕著な特徴を示した。ナノクリスタルに相当する溶出体積でのROX発光の存在は、ナノクリスタル及び色素が実際に結合していることを示す。 The FRET efficiency of the nanocrystal-dye pair was estimated to be ˜90% by measuring the amount of nanocrystal fluorescence quenching after dye ligation. From the measured FRET efficiency, the measured amount of dye per nanocrystal and the Forster distance (R 0 = 5.6 nm), the separation distance was calculated to be r = 4.8 nm (e.g. Aaron R. Clapp (See ChemPhysChem 2006, 7, 47-57, which is incorporated by reference in its entirety). The purified nanocrystal-ROX conjugate was further characterized by gel filtration chromatography (GFC) using in-line detection of absorbance at 280 nm and acquisition of full spectrum fluorescence excited at 460 nm. Comparison with known hydrodynamic diameter (HD) protein molecular weight standards (FIG. 4D) provided an indication of size for the sample under investigation. FIG. 4E shows the GFC results for the purified nanocrystal-ROX conjugate shown in FIG. 4B. A single UV absorption feature was detected at an elution volume of 15.7 mL, corresponding to a protein equivalent molecular weight of ˜94 kD or HD of ˜8.2 nm, reasonably consistent with HD obtained by DLS. The emission spectrum at this amount showed two prominent features at 558 nm and 610 nm, corresponding to the nanocrystal and ROX emission wavelengths, respectively. The presence of ROX emission at the elution volume corresponding to the nanocrystal indicates that the nanocrystal and the dye are actually bound.

対照的に、結合試料と同じ色素:ナノクリスタル比での遊離ナノクリスタルとROX色素との混合物のGFCは、連結体と同じ溶出体積でUV吸光度及びナノクリスタルシグナルを示したが、色素蛍光はなかった(図4F)。実際、色素は、装置により用いられた吸光度及び励起波長で、その低い吸収断面積のために全く検出されなかった:ナノクリスタルに結合した色素分子がFRETによって励起されるため、ROX蛍光は結合されたケースにおいて検出された。また、この実験において、非結合ナノクリスタルが15.7mLで溶出されたことは、色素結合がナノクリスタルHDを著しく変更しなかったことを示唆している。総合して、GFCデータは、NHSエステル型の小分子色素がナノクリスタルサイズを混乱させることなく混合配位子ナノクリスタルに共有結合できること、及び非活性化色素を用いたコントロール実験がカップリング/結合の徴候を示さないことを示した。   In contrast, a GFC of a mixture of free nanocrystals and ROX dye at the same dye: nanocrystal ratio as the bound sample showed UV absorbance and nanocrystal signal at the same elution volume as the conjugate, but no dye fluorescence. (FIG. 4F). In fact, no dye was detected at the absorbance and excitation wavelength used by the instrument due to its low absorption cross section: ROX fluorescence is bound because the dye molecules bound to the nanocrystal are excited by FRET. Detected in the cases. Also, in this experiment, unbound nanocrystals eluted at 15.7 mL, suggesting that dye binding did not significantly alter nanocrystal HD. Overall, GFC data show that NHS ester-type small molecule dyes can be covalently bound to mixed ligand nanocrystals without disrupting nanocrystal size, and control experiments with non-activated dyes are coupled / coupled. Showed no signs of.

(高親和性細胞標識化のためのストレプトアビジンへの共有結合)
ストレプトアビジン/ビオチン相互作用を解して、直接ナノクリスタルを膜タンパクに連結した標識化構築物を設計した。この方法は、かさ高い中間一次及び二次抗体の必要を回避した(例えば、Wu, X.らの論文, Nature Biotechnol. 2003, 21, 41-46を参照されたい。それは全体において引用により取り込まれている。)。直接の標識化は、関心対象のレセプターのいずれか末端に融合した受容体ペプチドと呼ばれる15アミノ酸認識配列の部位特異的ビオチン化のためのビオチンリガーゼ(BirA)の開発によって可能となった(図5;Howarth, M.らの論文, PNAS. 2005, 102, 7583-7588、それは全体において引用により取り込まれている。)。組換えBirA、ビオチン及びATPを細胞培地に添加することにより、APタグの特異的かつ効率的なビオチン化が可能であり、その後、ストレプトアビジンに連結されたナノクリスタル(ナノクリスタル-SA)を、ビオチン化されたタンパク質集団を視覚化するために適用することができる。
(Covalent binding to streptavidin for high affinity cell labeling)
A labeled construct was designed in which the streptavidin / biotin interaction was solved to directly link the nanocrystal to the membrane protein. This method avoided the need for bulky intermediate primary and secondary antibodies (see, eg, Wu, X. et al., Nature Biotechnol. 2003, 21, 41-46, which is incorporated by reference in its entirety. ing.). Direct labeling was made possible by the development of biotin ligase (BirA) for site-specific biotinylation of a 15 amino acid recognition sequence called a receptor peptide fused to either end of the receptor of interest (Figure 5). ; Howarth, M. et al., PNAS. 2005, 102, 7583-7588, which is incorporated by reference in its entirety. By adding recombinant BirA, biotin and ATP to the cell culture medium, the AP tag can be specifically and efficiently biotinylated, and then nanocrystals (nanocrystal-SA) linked to streptavidin, It can be applied to visualize biotinylated protein populations.

従って、SA を、20%-NH2/80%-OH DHLA-PEG被覆ナノクリスタルに連結した。最初に、SAを、1000当量のEDC/NHSを用いてMES緩衝液(pH 5.5)中で30分間活性化した。カップリングを効率的に進行させるために、活性化SAをアミン-官能化ナノクリスタルに適用する前に、過剰カップリング試薬を限外ろ過によって除去することが重要であった。活性化SAを、重炭酸緩衝液(pH 8.4)中でナノクリスタルと混合し、1時間反応させ、限外ろ過によって精製した。ナノクリスタル-SAを、低密度リポタンパク質レセプター-受容体ペプチド融合構築物(LDLR-AP)でトランスフェクトしたHeLa細胞に、核同時トランスフェクションマーカーとして強化黄色蛍光タンパク質(EYFP)とともに適用させた。従って、核からのEYFP蛍光を示す細胞も、細胞表面上にLDLR-APを含む。ナノクリスタル-SAをLDLR-APのビオチン化後に50 nMで細胞培地に適用し、トランスフェクト細胞の表面にナノクリスタルの特異的結合を観察した(図6A)。隣接する非トランスフェクト細胞(EYFP核マーカーの欠如によって示される)は、ナノクリスタル-SA結合を示さず、標識化の高い特異性を明らかにした。また、非連結ナノクリスタルを適用したコントロール実験(図6B)、及びBirAを除外したコントロール実験(図6C)は、結合を示さなかった。図6において、赤はNC605チャンネル;緑、EYFPチャンネルを示す。図6Aは、BirAでビオチン化され、20% -NH/-OH DHLA-PEG被覆ナノクリスタルに共有結合したストレプトアビジンを用いて標識化したHeLa細胞上のAP-LDLRレセプターのイメージである。図6B及び6Cは、それぞれ、非結合ナノクリスタル用いたコントロール実験及びBirAのないコントロール実験である。 Therefore, SA was linked to 20% -NH 2 /80% -OH DHLA-PEG coated nanocrystals. First, SA was activated in MES buffer (pH 5.5) with 1000 equivalents of EDC / NHS for 30 minutes. In order for the coupling to proceed efficiently, it was important to remove excess coupling reagent by ultrafiltration before applying the activated SA to the amine-functionalized nanocrystals. Activated SA was mixed with nanocrystals in bicarbonate buffer (pH 8.4), reacted for 1 hour, and purified by ultrafiltration. Nanocrystal-SA was applied to HeLa cells transfected with low density lipoprotein receptor-receptor peptide fusion construct (LDLR-AP) with enhanced yellow fluorescent protein (EYFP) as a nuclear co-transfection marker. Therefore, cells that show EYFP fluorescence from the nucleus also contain LDLR-AP on the cell surface. Nanocrystal-SA was applied to the cell culture medium at 50 nM after biotinylation of LDLR-AP, and specific binding of nanocrystals was observed on the surface of the transfected cells (FIG. 6A). Adjacent untransfected cells (indicated by the lack of EYFP nuclear markers) did not show nanocrystal-SA binding, revealing high specificity of labeling. In addition, the control experiment (FIG. 6B) using unlinked nanocrystals and the control experiment (FIG. 6C) excluding BirA showed no binding. In FIG. 6, red indicates NC605 channel; green, EYFP channel. FIG. 6A is an image of AP-LDLR receptor on HeLa cells biotinylated with BirA and labeled with streptavidin covalently attached to 20% -NH / -OH DHLA-PEG coated nanocrystals. 6B and 6C are a control experiment using unbound nanocrystals and a control experiment without BirA, respectively.

一価ナノクリスタルを、家族性高コレステロール血症(FH)の個人から当初見つかった、欠失サイトゾル側末端での低密度リポタンパク質(LDL)レセプターの変異体の移動度を研究するために、使用した(例えば、Hobbs,H.H.らの論文, Annu. Rev. Genet. 24, 133-170 (1990)を参照されたい。それは全体において引用により取り込まれている。)。FH表現型は、レセプター、LDLの配位子に従って広範囲に分析されているが、この方法はレセプター自体の挙動を分析したものであった。wt APタグ化レセプターの速い内部移行を確認するために、mSA-Alexa Fluor 568を用いるパルスチェイスは、FHと比較した。ビオチン化AP-LDLレセプターに結合した単一の一価ナノクリスタルを、ナノクリスタル蛍光強度及び点滅よって示されるようにイメージ化した。一価ナノクリスタルで標識化したレセプターの移動度は、FHに関して、野生型LDLレセプターより著しく大きく(p=1.6x10-14)(図6D)、クラスリン被覆ピット(clathrin-coated pits)のアダプタによる野生型サイトゾル側末端の束縛と一致した(例えば、Michaely,P.らの論文, J. Biol. Chem. 279, 34023-34031 (2004)を参照されたい。それは全体において引用により取り込まれている。)。 To study the mobility of monovalent nanocrystals in mutants of low density lipoprotein (LDL) receptors at the deleted cytosolic end, originally found in individuals with familial hypercholesterolemia (FH), (See, eg, Hobbs, HH et al., Annu. Rev. Genet. 24, 133-170 (1990), which is incorporated by reference in its entirety). The FH phenotype has been extensively analyzed according to the ligand of the receptor, LDL, but this method analyzed the behavior of the receptor itself. To confirm fast internalization of wt AP-tagged receptors, a pulse chase using mSA-Alexa Fluor 568 was compared to FH. Single monovalent nanocrystals bound to biotinylated AP-LDL receptor were imaged as indicated by nanocrystal fluorescence intensity and flashing. The mobility of receptors labeled with monovalent nanocrystals is significantly greater with respect to FH than wild-type LDL receptor (p = 1.6x10 -14 ) (Figure 6D), due to clathrin-coated pits adapters. Consistent with the binding of the wild-type cytosolic end (see, eg, Michaele, P. et al., J. Biol. Chem. 279, 34023-34031 (2004), which is incorporated by reference in its entirety. .).

図6Dは、一価ナノクリスタルを用いたLDLレセプターの単一分子追跡の結果を示す。ヒストグラムは、野生型及びFH LDLレセプターのための単一分子拡散係数の異なった分布を示す。(コルモゴロフ-スミルノフD'統計= 0.317、片側、p=1.6x10-14)WTについて平均log(D), -1.36 (416トラック)。FHについて, -0.84 (256トラック)。 FIG. 6D shows the results of single molecule tracking of the LDL receptor using monovalent nanocrystals. The histogram shows different distributions of single molecule diffusion coefficients for wild type and FH LDL receptors. (Kolmogorov-Smirnov D ′ statistic = 0.317, one side, p = 1.6 × 10 −14 ) Mean log (D), −1.36 (416 tracks) for WT. About FH, -0.84 (256 tracks).

(タンパク質のHis6-タグ結合)
DHLA-PEG-CO2H被覆ナノクリスタルは、アガロースゲル上の高移動度を示した。本発明者らは、これらのナノクリスタルを、単一ビオチン結合部位を含ストレプトアビジン(mSA)のHis6タグ化一価変異体とともにインキュベートし(例えば、Howarth, M.らの論文, Nat Meth 2006, 3, 267-273を参照されたい。それは全体において引用により取り込まれている。)、ナノクリスタルのゲル移動度の有意な減少を観察した(図7A)。おそらく、ナノクリスタル面(ナノクリスタル-mSA)上のタンパク質の金属-親和性駆動自己集合のためである。例えば、Pons, T.らの論文, J. Phys. Chem. B 2006, 110, 20308-20316を参照されたい。それは全体において引用により取り込まれている。野生型ストレプトアビジン(wtSA)とのインキュベーションは、His6-タグを特徴とせず、ゲル上のナノクリスタル移動度の変化はなかった(図7A)。連結タンパク質が生物学的官能性を保持したことを示すために、ナノクリスタル-mSAを細胞標識化において試験した。ビオチン化AP-LDLRを示すHeLa細胞にナノクリスタル-mSA添加することにより、高い程度の特異的結合が生じた(図7B)。非結合ナノクリスタル(図7C)、wtSAとインキュベートしたナノクリスタル(図7D)、及びBirAの添加のないナノクリスタル-mSA(図7E)を用いてラベル化を試みたコントロール実験は全て、予想通り、結合を生じなかった。さらにまた、これらのナノクリスタルの安定性、特異性及び高いQYは、長期間に渡って細胞表面上のLDLRの単一粒子追跡を可能にした。
(His 6 -tag binding of protein)
DHLA-PEG-CO 2 H coated nanocrystals showed high mobility on agarose gels. We incubated these nanocrystals with a His 6- tagged monovalent variant of streptavidin (mSA) containing a single biotin binding site (e.g. Howarth, M. et al., Nat Meth 2006 , 3, 267-273, which is incorporated by reference in its entirety.) A significant decrease in the gel mobility of the nanocrystals was observed (FIG. 7A). Probably because of the metal-affinity driven self-assembly of proteins on the nanocrystal surface (nanocrystal-mSA). See, for example, Pons, T. et al., J. Phys. Chem. B 2006, 110, 20308-20316. It is incorporated by reference throughout. Incubation with wild type streptavidin (wtSA) did not feature a His 6 -tag and there was no change in nanocrystal mobility on the gel (FIG. 7A). To demonstrate that the linking protein retained biological functionality, nanocrystal-mSA was tested in cell labeling. Addition of nanocrystal-mSA to HeLa cells showing biotinylated AP-LDLR resulted in a high degree of specific binding (FIG. 7B). All control experiments that attempted labeling with unbound nanocrystals (Figure 7C), nanocrystals incubated with wtSA (Figure 7D), and nanocrystal-mSA without addition of BirA (Figure 7E) were all as expected, No binding occurred. Furthermore, the stability, specificity and high QY of these nanocrystals allowed single particle tracking of LDLR on the cell surface over time.

mSAへの連結は、単に、所望の比のナノクリスタル対His6タグ化タンパク質を混合し、続いて室温で1時間インキュベートすることにより達成された。細胞標識に適切なナノクリスタルを精製するためのカップリング剤又は精製工程は必要なかった。標的化細胞イメージ化用途のための生物学的官能性ナノクリスタルにおいて、この連結方法の容易性を強調する。さらにまた、His6-タグタンパク質連結後のナノクリスタルゲルシフトの独特な性質は、mSA対ナノクリスタルの所定の比が、ポアソン強度分布に従ってバンドのラダーを生じることである。各バンドは異なる数のmSAに結合したナノクリスタルを表している(例えば、Pons, T.; Uyeda, H. T.; Medintz, I. L.; Mattoussi, H., J. Phys. Chem. B 2006, 110, 20308-20316を参照されたい。それは全体において引用により取り込まれている。)。正確に1個のmSAに結合されたナノクリスタルに相当する第1バンドを分離することができる場合、真の一価ナノクリスタルを調製することができる。mSAの単一ビオチン結合部位は、1ナノクリスタル当たりmSAの単一コピーとともに、1ナノクリスタル当たり結合部位の量を正確に1個に減少し、1ナノクリスタル当たりwtSAを最大20含み従って1ナノクリスタル当たり最大80の結合部位を含む市販のナノクリスタルが有する大きな問題である、架橋タンパク質標的の任意の可能性を排除する。例えば、Medintz, I.らの論文, Nature Mater. 2005, 4, 435-446を参照されたい。それは全体において引用により取り込まれている。 Linkage to mSA was achieved simply by mixing the desired ratio of nanocrystals to His 6- tagged protein followed by 1 hour incubation at room temperature. No coupling agent or purification step was required to purify nanocrystals suitable for cell labeling. The ease of this linking method is emphasized in biological functional nanocrystals for targeted cell imaging applications. Furthermore, the unique property of nanocrystal gel shift after His 6 -tag protein ligation is that a given ratio of mSA to nanocrystal results in a ladder of bands according to the Poisson intensity distribution. Each band represents a nanocrystal bound to a different number of mSA (e.g. Pons, T .; Uyeda, HT; Medintz, IL; Mattoussi, H., J. Phys. Chem. B 2006, 110, 20308- (See 20316, which is incorporated by reference in its entirety.) True monovalent nanocrystals can be prepared if the first band corresponding to nanocrystals bound to exactly one mSA can be separated. A single biotin binding site of mSA, with a single copy of mSA per nanocrystal, reduces the amount of binding sites per nanocrystal to exactly one, and contains up to 20 wtSA per nanocrystal, thus 1 nanocrystal Eliminate any possibility of cross-linked protein target, a major problem with commercially available nanocrystals containing up to 80 binding sites per hit. See, for example, Medintz, I. et al., Nature Mater. 2005, 4, 435-446. It is incorporated by reference throughout.

(共有及び非共有結合戦略の適用)
最初に、20%-NH2/80%-OH DHLA-PEGで被覆されたNC565を、アミド結合形成を介してAlexa 568 NHS-エステルに連結した。限外ろ過による精製の後、ナノクリスタルに対する色素の平均数は、UV-vis吸光度スペクトルから、〜1.3であると算出された。最小の色素吸光度がある420nm での励起は、ナノクリスタル及び色素発光を生じ、FRETの発生を示唆した。結合された色素のないナノクリスタルと比較してナノクリスタル蛍光の消光に基づき、FRET効率は、〜74%であると概算した。その後、ナノクリスタル-色素連結体をmSAとともにインキュベートし、標識化のためのビオチン化AP-LDLRを示すHeLa細胞に適用した(図8A〜8B)。ナノクリスタル及び色素からの2つの発光は、それぞれ、緑及び赤チャンネルにおいて見られ、標的細胞上の2つのチャンネルの共存は、ナノクリスタル-色素-mSA連結体の完全性を検査した(図8B)。長期間の420nm励起での強度照射に応じて、緑チャンネルにおけるナノクリスタル発光の回復とともに、赤チャンネルにおいて色素の退色が観察された。これは、細胞表面上の標的化ナノクリスタル-色素からFRETの発生を更に示唆している。結合された色素のないナノクリスタル-mSAを用いたコントロール試料は、長期照射の後に赤及び緑チャンネルの比率に違いはなかった。
(Application of shared and non-covalent strategies)
First, NC565 coated with 20% -NH 2 /80% -OH DHLA-PEG was linked to Alexa 568 NHS-ester via amide bond formation. After purification by ultrafiltration, the average number of dyes for the nanocrystals was calculated to be ˜1.3 from the UV-vis absorbance spectrum. Excitation at 420 nm with minimal dye absorbance resulted in nanocrystal and dye emission, suggesting the occurrence of FRET. Based on quenching of nanocrystal fluorescence compared to nanocrystals without bound dye, the FRET efficiency was estimated to be ˜74%. The nanocrystal-dye conjugate was then incubated with mSA and applied to HeLa cells showing biotinylated AP-LDLR for labeling (FIGS. 8A-8B). Two emissions from nanocrystals and dyes were seen in the green and red channels, respectively, and the coexistence of the two channels on the target cells examined the integrity of the nanocrystal-dye-mSA conjugate (Figure 8B). . In response to intensity irradiation with long-term excitation at 420 nm, dye fading was observed in the red channel along with the recovery of nanocrystal emission in the green channel. This further suggests the generation of FRET from the targeted nanocrystal-dye on the cell surface. Control samples using nanocrystal-mSA without bound dye did not differ in red and green channel ratios after prolonged irradiation.

(一価ナノクリスタルの特徴付け)
単離されたナノクリスタルの価数を確認するために、本発明者らは、3倍過剰量のモノビオチン化DNAとともにインキュベートした一価ナノクリスタル上の原子力顕微鏡検査(AFM)を行った(図11A)。AFMによって、ナノクリスタル及びDNAの単一分子が視覚化され、単一ビオチン化DNAに結合したナノクリスタルを示した。これにより、1ナノクリスタル当たり単一ビオチン結合部位の存在が支持された。数コピーの一価ストレプトアビジンで連結されたナノクリスタル(多価性ナノクリスタル)を同じように分析したとき、DNAの複数コピーがナノクリスタルに結合した。多価ナノクリスタルは、mSA余分コピーがナノ粒子サイズに寄与した結果として、AFMでより大きく現れた。
(Characteristics of monovalent nanocrystals)
To confirm the valence of the isolated nanocrystals, we performed atomic force microscopy (AFM) on monovalent nanocrystals incubated with a 3-fold excess of monobiotinylated DNA (Fig. 11A). AFM visualized nanocrystals and single molecules of DNA, showing nanocrystals bound to single biotinylated DNA. This supported the presence of a single biotin binding site per nanocrystal. When nanocrystals linked by several copies of monovalent streptavidin (multivalent nanocrystals) were analyzed in the same way, multiple copies of DNA bound to the nanocrystals. Multivalent nanocrystals appeared larger in AFM as a result of the mSA extra copy contributing to nanoparticle size.

また、一価抗体断片の単一コピーに結合したナノクリスタルを、アガロース電気泳動によって精製した。図10Bを参照されたい。腫瘍マーカー癌胎児性抗原と例外的に強く結合する酵母表面表示によって選択された単鎖Fv抗体を選択した(Graffらの文献、2004)。一価抗体-ナノクリスタルを同様に精製し(図13A〜13B)、特異的に標識された癌胎児性抗原は細胞表面で発現した(図13C)。一価抗体-ナノクリスタルは、LDLR-APで代わりにトランスフェクトされた細胞を標識せず、非連結ナノクリスタルは、癌胎児性抗原を結合しなかった。タンパク質は、価数に従ってナノクリスタル連結体を分離するために、>50kDaであることを必要とした。また、価数に従うナノクリスタルの電気泳動分離は、市販のポリアクリル酸被覆ナノクリスタルに効率的であったが、これらのナノクリスタルは細胞に容認できないほど高い非特異的粘着を与えた。以前に観察されたように、PEG-アミン被覆ナノクリスタルは、低い非特異的結合を有したが、価数に従って分離できるだけのゲル上での十分な移動はなかった。例えば、So, M.K.らの論文. (2006). Nat.Biotechnol. 24, 339-343を参照されたい。それは全体において引用により取り込まれている。   In addition, nanocrystals bound to a single copy of the monovalent antibody fragment were purified by agarose electrophoresis. See FIG. 10B. Single chain Fv antibodies selected by yeast surface display that bind exceptionally strongly to the tumor marker carcinoembryonic antigen were selected (Graff et al., 2004). Monovalent antibody-nanocrystals were similarly purified (FIGS. 13A-13B) and specifically labeled carcinoembryonic antigen was expressed on the cell surface (FIG. 13C). Monovalent antibody-nanocrystals did not label cells that were instead transfected with LDLR-AP, and unlinked nanocrystals did not bind carcinoembryonic antigen. The protein needed to be> 50 kDa to separate nanocrystal conjugates according to valence. Also, electrophoretic separation of nanocrystals according to valence was efficient for commercially available polyacrylic acid-coated nanocrystals, but these nanocrystals gave an unacceptably high nonspecific adhesion to the cells. As previously observed, PEG-amine coated nanocrystals had low non-specific binding, but not enough migration on the gel to be separated according to valence. See, for example, So, M.K. et al. (2006). Nat. Biotechnol. 24, 339-343. It is incorporated by reference throughout.

(トランスフェトされたBirA-ERは、一価ナノクリスタルの標的化を可能にする。)
生細胞の表面上の受容体ペプチドタグ化タンパク質を、組換えビオチンリガーゼを培地に添加することによってビオチン化した(Howarthらの論文, 2005;Chenらの論文, 2005)。細胞生物学のためのストレプトアビジン-ナノクリスタルを有するレセプターの標識化及び生きている動物における潜在的用途を単純化するために、細胞を、イムノグロブリンシグナル配列を有する小胞体(ER)に目標化されたビオチンリガーゼによってトランスフェクトし、KDEL C末端配列(BirA-ER)によって小胞体において保持された。分泌経路において発現されるビオチンリガーゼは、以前、レセプター追跡のためにでなく遺伝子治療及び抗体修飾用途のために使われていた。例えば、Nesbeth, D.らの論文 (2006). Mol.Ther. 13, 814-822;及びBarat,B., Wu,A.M. (2007). 「小胞体に保持されるビオチンリガーゼによる組換え抗体の代謝ビオチン化(Metabolic biotinylation of recombinant antibody by biotin ligase retained in the endoplasmic reticulum.)」 Biomol.Eng.を参照されたい。その各々は全体において引用により取り込まれている。
(Transferred BirA-ER allows targeting of monovalent nanocrystals.)
Receptor peptide-tagged proteins on the surface of living cells were biotinylated by adding recombinant biotin ligase to the medium (Howarth et al., 2005; Chen et al., 2005). Targeting cells to the endoplasmic reticulum (ER) with an immunoglobulin signal sequence to simplify the labeling of receptors with streptavidin-nanocrystals for cell biology and potential applications in living animals And was retained in the endoplasmic reticulum by the KDEL C-terminal sequence (BirA-ER). Biotin ligase expressed in the secretory pathway has previously been used for gene therapy and antibody modification applications, not for receptor tracking. For example, Nesbeth, D. et al. (2006). Mol. Ther. 13, 814-822; and Barat, B., Wu, AM (2007). “Recombinant antibodies by biotin ligase retained in the endoplasmic reticulum. See Metabolic biotinylation of recombinant antibody by biotin ligase retained in the endoplasmic reticulum. Biomol. Eng. Each of which is incorporated by reference in its entirety.

BirA-ERは、低密度リポタンパク質レセプター(LDLR)に縮合されるAPを効率的にビオチン化し、細胞表面をストレプトアビジン-色素で標識化できる(図9B及び11B)。BirA-ERは、内因性細胞表面タンパク質をビオチン化しなかった。これは、BirA-ERがAP(LDLR-Ala)(図11B)の変異体を有するネガティブコントロール構築物とともに発現される場合、細胞がストレプトアビジンで染色されないためである。この方法は一般に効果的であった:BirA-ERを、また、上皮細胞成長因子レセプター及びHeLa細胞のAP及びニューロンのGluR2-APに縮合したEphA3を標識するために使用した(図15B)。この概略は、サイトゾルのビオチンリガーゼによるレセプタービオチン化の以前の報告と対照をなす。それは、ビオチン受容体領域のサブセットをビオチン化するのみである。通常の成長培地のビオチン(〜9 nM)は、ERにおいてAP融合体のビオチン化に充分であり得る(例えば、Baumgartner, M.R.らの論文 (2004). Am.J.Hum.Genet. 75, 790-800を参照されたい。それは全体において引用により取り込まれている。)。しかし、トランスフェクションの日にビオチンで成長培地を補充することは、ビオチン化効率を改善することができる。10μMビオチンは、LDLR-APの最適ビオチン化を与えた。ビオチンは、1mMでさえ、HeLa又はニューロン培養物の生存度において、見かけ上の変化を生じなかった。ニューロンに関して、BirA-ERによる効率的APビオチン化を得るために、ビオチンで培地を補充する必要はなかった(図13)。   BirA-ER can efficiently biotinylate AP condensed to low density lipoprotein receptor (LDLR) and label the cell surface with streptavidin-dye (FIGS. 9B and 11B). BirA-ER did not biotinylate endogenous cell surface proteins. This is because cells are not stained with streptavidin when BirA-ER is expressed with a negative control construct having a variant of AP (LDLR-Ala) (FIG. 11B). This method was generally effective: BirA-ER was also used to label EphA3 condensed to epidermal growth factor receptor and AP of HeLa cells and GluR2-AP of neurons (FIG. 15B). This outline contrasts with previous reports of receptor biotinylation by cytosolic biotin ligase. It only biotinylates a subset of biotin receptor regions. Normal growth medium biotin (˜9 nM) may be sufficient for biotinylation of AP fusions in the ER (eg, Baumgartner, MR et al. (2004). Am. J. Hum. Genet. 75, 790 See -800, which is incorporated by reference throughout.) However, supplementing the growth medium with biotin on the day of transfection can improve biotinylation efficiency. 10 μM biotin gave optimal biotinylation of LDLR-AP. Biotin did not produce an apparent change in the viability of HeLa or neuron cultures, even at 1 mM. For neurons, it was not necessary to supplement the medium with biotin to obtain efficient AP biotinylation with BirA-ER (FIG. 13).

一価ナノクリスタルを、小胞体のBirAによりビオチン化されるLDLR-APを標識するために用いた(図11B)。この場合において、本発明者らは、黄色蛍光タンパク質(YFP)のBirA-YFP-ERを含むBirA-ERの変形体を使用した。それは、BirA-ERと同等に振舞ったが、トランスフェクト細胞の視覚化も可能にした。一価ナノクリスタルは、AP発現細胞とのみ結合し、APタグの点変異を有するLDLR発現ネガティブコントロール細胞(LDLR-Ala)と結合しなかった。これは、一価ナノクリスタルが、市販のストレプトアビジン-ナノクリスタルと同様に細胞標識化の高い特異性を保持することを示した(Howarthらの文献、2005)。   Monovalent nanocrystals were used to label LDLR-AP biotinylated by endoplasmic reticulum BirA (FIG. 11B). In this case, we used a variant of BirA-ER including the yellow fluorescent protein (YFP) BirA-YFP-ER. It behaved similarly to BirA-ER, but also allowed visualization of transfected cells. Monovalent nanocrystals bound only to AP-expressing cells and did not bind to LDLR-expressing negative control cells (LDLR-Ala) having AP tag point mutations. This indicated that monovalent nanocrystals retain a high specificity of cell labeling, similar to commercially available streptavidin-nanocrystals (Howarth et al., 2005).

(ナノクリスタル一価性は、レセプター活性化及び移動度の障害を回避する)
レセプターのクラスター形成は、シグナル伝達を活性化させる一般的な方法である。一方で、単一粒子追跡のために使用されるナノ粒子は、多くの場合、多価性である(例えば、Saxton,M.J., Jacobson,K. (1997). Annu.Rev.Biophys.Biomol.Struct. 及びJaiswal, J. K. 及びSimon, S. M. Trends Cell Biol. 14[9], 497-504. 2004を参照されたい。その各々は全体において引用により取り込まれている。)。発生及び転移の細胞運動において重要な役割を有するエフリンに対するレセプターであるチロシンキナーゼEphA3は、エフリン被覆ビーズによってクラスター化されたときにリン酸化された。例えば、Wimmer-Kleikamp,S.H., Lackmann,M. (2005). IUBMB.Life 57, 421-431;及びWimmer-Kleikamp,S.H.らの論文 (2004). J.Cell Biol. 164, 661-666を参照されたい。その各々は全体において引用により取り込まれている。価数制御されたナノクリスタルを、EphA3-AP発現CHO細胞のイメージ化のために用いた。EphA3-APを、一価ストレプトアビジンの1つ又は複数のコピーに結合したDHLA-PEG8-CO2Hナノクリスタルとともにインキュベートした(図12)。一価ナノクリスタルは、レセプターを標識化し、細胞表面上に広い局所化を維持した。このパターンの染色は、EphA3-APが、Alexa Fluor 568色素に連結した一価ストレプトアビジンで標識化されたときと同じであった。対照的に、多価性ナノクリスタルは、エフリンビーズ刺激で観察されたように、EphA3-APをクラスター化し、内部移行を誘発した。市販の(多価性)ストレプトアビジン-ナノクリスタルは、同様に、レセプタークラスター形成及び内部移行を生じた。
(Nanocrystal monovalence avoids obstacles to receptor activation and mobility)
Receptor clustering is a common method of activating signal transduction. On the other hand, nanoparticles used for single particle tracking are often multivalent (eg, Saxton, MJ, Jacobson, K. (1997). Annu. Rev. Biophys. Biomol. And Jaiswal, JK and Simon, SM Trends Cell Biol. 14 [9], 497-504. 2004, each of which is incorporated by reference in its entirety. The tyrosine kinase EphA3, a receptor for ephrin that has an important role in developmental and metastatic cell motility, was phosphorylated when clustered by ephrin-coated beads. See, for example, Wimmer-Kleikamp, SH, Lackmann, M. (2005). IUBMB. Life 57, 421-431; and Wimmer-Kleikamp, SH et al. (2004). J. Cell Biol. 164, 661-666. I want to be. Each of which is incorporated by reference in its entirety. Valence-controlled nanocrystals were used for imaging EphA3-AP expressing CHO cells. EphA3-AP was incubated with DHLA-PEG8-CO 2 H nanocrystals conjugated to one or more copies of monovalent streptavidin (FIG. 12). Monovalent nanocrystals labeled the receptor and maintained broad localization on the cell surface. This pattern of staining was the same as when EphA3-AP was labeled with monovalent streptavidin linked to Alexa Fluor 568 dye. In contrast, multivalent nanocrystals clustered EphA3-AP and induced internalization, as observed with ephrin bead stimulation. Commercial (multivalent) streptavidin-nanocrystals similarly produced receptor cluster formation and internalization.

また、レセプター架橋結合は、レセプター細胞表面上のレセプター移動度において減少を生じた。家族性高コレステロール血症(FH)の個人から当初見つかった、欠失サイトゾル側末端での低密度リポタンパク質レセプター(LDLR)の変異体の移動度を検討した。低密度リポタンパク質の形態において、LDLRは、末梢によるコレステロールの取込みのキー・レセプターである。この欠失変異体は、被覆ピット及び減少したエンドサイトーシスのレセプターの保持を破棄する。LDLRは、その配位子LDLの標識化によって、単一分子レベルで以前にイメージ化されている。配位子結合及び非結合レセプターが同じ輸送挙動を有する場合、それはまだ明白でない。レセプターFH LDLR-APを、外因性ビオチンリガーゼでビオチン化し、一価又は多価ナノクリスタルを加えることによって標識化した。ナノクリスタル蛍光強度及び点滅によって示されるように、単一レセプター結合ナノクリスタルは、個々にイメージ化されることができる(例えば、Nirmal,M.らの論文 (1996). Nature 383, 802-804を参照されたい。それは全体において引用により取り込まれている。)。一価ナノクリスタルで標識化したレセプターの移動度は、多価性ナノクリスタルで標識かしたものよりも実質的に大きく、これは多価性ナノクリスタルによるレセプター架橋と整合していた。   Receptor cross-linking also caused a decrease in receptor mobility on the receptor cell surface. We investigated the mobility of low density lipoprotein receptor (LDLR) mutants at the deleted cytosolic end, initially found in individuals with familial hypercholesterolemia (FH). In the form of low density lipoprotein, LDLR is a key receptor for cholesterol uptake by the periphery. This deletion mutant abolishes the retention of coated pits and reduced endocytic receptors. LDLR has been previously imaged at the single molecule level by labeling its ligand LDL. If the ligand-bound and unbound receptors have the same transport behavior, it is not yet clear. Receptor FH LDLR-AP was biotinylated with exogenous biotin ligase and labeled by adding monovalent or multivalent nanocrystals. Single receptor-bound nanocrystals can be individually imaged as shown by nanocrystal fluorescence intensity and flashing (see, eg, Nirmal, M. et al. (1996). Nature 383, 802-804. See, it is incorporated by reference in its entirety.) The mobility of receptors labeled with monovalent nanocrystals was substantially greater than those labeled with multivalent nanocrystals, consistent with receptor cross-linking with multivalent nanocrystals.

(一価ナノクリスタルは、抗体と同等のサイズを有する。)
多くの細胞位置のために、レセプターに結合されたナノ粒子のサイズは、レセプター移動度に著しく影響を及ぼさない。例えば、Borgdorff, A.J., Choquet,D. (2002) Nature 417, 649-653;Kusumi, A.らの論文 (2005). Annu.Rev.Biophys.Biomol.Struct. 34, 351-378;及びThoumine, O.らの論文 (2005) Biophys.J. 89, L40-L42を参照されたい。その各々は全体において引用により取り込まれている。サイトゾル側末端の膜貫通らせん及び相互作用は、多くの場合、レセプター移動度の決定要因である(Saxton及びJacobson, 1997)。しかし、特定の限られた位置のために、ナノ粒子サイズは、著しく移動度が遅れ得る、又は標識化、とりわけ、わずか24-30nm広さのニューロンシナプスにおいて、混乱させ得る。例えば、Groc, L.らの論文 (2004). Nat.Neurosci. 7, 695-696;Howarth, M.らの論文 (2005). Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A. 102, 7583-7588;及びZuber, B.らの論文 (2005). Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A. 102, 19192-19197を参照されたい。その各々は全体において引用により取り込まれている。
(The monovalent nanocrystal has the same size as the antibody.)
For many cell locations, the size of the nanoparticles bound to the receptor does not significantly affect the receptor mobility. For example, Borgdorff, AJ, Choquet, D. (2002) Nature 417, 649-653; Kusumi, A. et al. (2005). Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 34, 351-378; and Thoumine, See O. et al. (2005) Biophys. J. 89, L40-L42. Each of which is incorporated by reference in its entirety. Transmembrane helices and interactions at the cytosolic end are often determinants of receptor mobility (Saxton and Jacobson, 1997). However, due to the specific limited position, the nanoparticle size can be significantly delayed in mobility or can be confused at labeling, especially at neuronal synapses only 24-30 nm wide. For example, Groc, L. et al. (2004). Nat. Neurosci. 7, 695-696; Howarth, M. et al. (2005). Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102, 7583-7588; See Zuber, B. et al. (2005). Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102, 19192-19197. Each of which is incorporated by reference in its entirety.

605nmで発光するDHLA-PEG8-CO2Hナノクリスタルは、11nmの流体力学的直径を与えた。これは、動的光散乱(DLS、表1)により、細胞表面標識化の標準プローブであるIgG抗体(9.7nm)及び単一粒子追跡で使用されるが制限的光安定性を有するプローブである非連結R-フィコエリトリン(11 nm)と比較して決定された。共通して使用される市販の605nmとして発光するストレプトアビジンナノクリスタルは、21nmの直径を有する。複数コピーよりも単一の一価ストレプトアビジンに結合したナノクリスタルの生成は、サイズをできるだけ小さく保つことに寄与しなければならない。本発明者らは、ナノクリスタルへの単一の一価ストレプトアビジンの結合に応じて、直径が1.2nmだけ増加することを見出した。ナノクリスタルサイズの別の測定方法、蛍光相関分光法(FCS)は、同程度の値を与えた(表1)。 DHLA-PEG8-CO 2 H nanocrystals emitting at 605 nm gave a hydrodynamic diameter of 11 nm. This is an IgG antibody (9.7 nm), a standard probe for cell surface labeling by dynamic light scattering (DLS, Table 1) and a probe used with single particle tracking but with limited light stability. Determined relative to unlinked R-phycoerythrin (11 nm). Commonly used commercially available streptavidin nanocrystals emitting at 605 nm have a diameter of 21 nm. The generation of nanocrystals bound to a single monovalent streptavidin rather than multiple copies must contribute to keeping the size as small as possible. The inventors have found that the diameter increases by 1.2 nm in response to the binding of a single monovalent streptavidin to the nanocrystal. Another measurement method for nanocrystal size, fluorescence correlation spectroscopy (FCS), gave comparable values (Table 1).

Figure 2011508793
Figure 2011508793

(小さいナノクリスタルは、AMPAレセプターのシナプス染色を改善する)
21nmから12nmにストレプトアビジン-ナノクリスタルのサイズを減らすことは、AMPAレセプターサブユニットGluR2を標識するため、シナプシスへのナノクリスタルのアクセスを改善した。解離培養の海馬ニューロンは、シナプスマーカーHomer1b-GFPであるGluR2-AP(Xiao,B.らのぶ (1998). Neuron 21, 707-716を参照されたい。それは全体において引用により取り込まれている。)、及びBirA-ERで同時トランスフェクトした。GluR2-APをBirA-ERによりビオチン化し、表面を一価ナノクリスタル又は市販のストレプトアビジンナノクリスタルで標識した。その後、ナノクリスタル及びシナプシスの共存を比較した(図13)。以前に観察された(Howarthらの文献、2005)ように、市販のナノクリスタルは、シナプシスから外れた大きい部分に存在された。しかし、一価ナノクリスタル標識はシナプシスで凝集した。これらのナノクリスタルの減少したサイズと整合し、正確にGluR2を標識する能力が向上した(例えば、Passafaro,M.らの論文 (2001). Nat.Neurosci. 4, 917-926を参照されたい。それは全体において引用により取り込まれている。)。
(Small nanocrystals improve synaptic staining of AMPA receptors)
Reducing the size of the streptavidin-nanocrystal from 21 nm to 12 nm improved nanocrystal access to synapses because it labeled the AMPA receptor subunit GluR2. Dissociated cultured hippocampal neurons are GluR2-AP, a synaptic marker Homer1b-GFP (see Xiao, B. et al. (1998). Neuron 21, 707-716, which is incorporated by reference in its entirety). , And BirA-ER. GluR2-AP was biotinylated with BirA-ER and the surface was labeled with monovalent nanocrystals or commercially available streptavidin nanocrystals. Thereafter, the coexistence of nanocrystals and synapses was compared (FIG. 13). As previously observed (Howarth et al., 2005), commercially available nanocrystals were present in large areas outside synapses. However, monovalent nanocrystal labels aggregated at synapses. Consistent with the reduced size of these nanocrystals, the ability to label GluR2 accurately was improved (see, eg, Passafaro, M. et al. (2001). Nat. Neurosci. 4, 917-926). It is incorporated by reference throughout.)

(EGFR追跡)
アミノNC-SA連結体を、生細胞上のEGFレセプター(EGFR)の特異的細胞標識化、及び単一粒子追跡に適用した。EGFRは、細胞分裂の重要な活性化因子、及び多くの癌の療法に対して標的となる(例えば、Moasser, M. M., Oncogene 2007, 26, 6577-92を参照されたい。それは全体において引用により取り込まれている。)。EGFRシグナル伝達におけるレセプター関連及び内部移行の機構についての多くの疑問がまだ存在する。それらは、単一分子レベルでの研究を通じて最適に対処される。例えば、Lidke, D. S.らの論文, J. Cell. Biol. 2005, 170, 619-626, 及びTeramura, Y.らの論文, EMBO J. 2006, 25, 4215-22を参照されたい。その各々は全体において引用により取り込まれている。)。
(EGFR tracking)
Amino NC-SA conjugates were applied for specific cell labeling of EGF receptor (EGFR) on live cells and single particle tracking. EGFR is an important activator of cell division and is a target for many cancer therapies (see, eg, Moasser, MM, Oncogene 2007, 26, 6577-92, which is incorporated by reference in its entirety. .) There are still many questions about the mechanism of receptor association and internalization in EGFR signaling. They are optimally addressed through studies at the single molecule level. See, for example, Lidke, DS et al., J. Cell. Biol. 2005, 170, 619-626, and Teramura, Y. et al., EMBO J. 2006, 25, 4215-22. Each of which is incorporated by reference in its entirety. ).

図16は、ヒトEGFRでトランスフェクトされた生細胞の標的を概略的に示す。COS7細胞を、ビオチン化EGF(bioEGF)でインキュベートし、その後、アミノNC-SAで染色した。ナノクリスタルをEGFRトランスフェクト細胞の表面に特異的に結合することが観察され、青色蛍光タンパク質(BFP)同時トランスフェクションマーカーにより示された。図17の左パネルを参照されたい。それは、生細胞上のEGFRへの20%アミノNC-SA連結体の標的化を示す。EGFR発現細胞は、BFP同時トランスフェクションマーカーによって示される。上列:NC558チャンネル。下列:BFP + DICチャンネル。左列:ビオチン化EGFで処理され、アミノNC-SAで染色されたEGFR トランスフェクトCOS7細胞。右列:アミノNC-SAが過剰な遊離ビオチンによって防がれたコントロール実験。スケールバー, 10μm。BFPマーカーの欠如によって示される隣接する非トランスフェクト細胞は、ナノクリスタル染色を示さず、標識化の特異性を示した。   FIG. 16 schematically shows the target of live cells transfected with human EGFR. COS7 cells were incubated with biotinylated EGF (bioEGF) and then stained with amino NC-SA. Nanocrystals were observed to specifically bind to the surface of EGFR transfected cells, as indicated by the blue fluorescent protein (BFP) co-transfection marker. See the left panel of FIG. It shows the targeting of 20% amino NC-SA conjugates to EGFR on living cells. EGFR expressing cells are indicated by BFP cotransfection markers. Upper row: NC558 channel. Bottom row: BFP + DIC channel. Left column: EGFR transfected COS7 cells treated with biotinylated EGF and stained with amino NC-SA. Right column: Control experiment in which amino NC-SA was prevented by excess free biotin. Scale bar, 10 μm. Adjacent untransfected cells indicated by the absence of the BFP marker did not show nanocrystal staining, indicating the specificity of labeling.

さらにまた、これらのナノクリスタルの光安定性、特異性及び高いQYは、細胞表面上上のEGFRとのEGF相互作用の単一粒子追跡を可能にした(図18 左:DICチャンネル。右:NC605チャンネル。明るさの大きい部分は自己蛍光を現し、ドットはナノクリスタルのクラスターを表す。スケールバー, 5μm)。個々のナノクリスタルは、それらの蛍光強度及び断続、又は点滅、挙動により同定し、標識化レセプターの活性輸送と整合した方法において細胞の表面上に動いて見られることができた。
他の実施態様は、添付の請求項の範囲内である。
Furthermore, the photostability, specificity and high QY of these nanocrystals allowed single particle tracking of EGF interaction with EGFR on the cell surface (Figure 18 left: DIC channel. Right: NC605. Channels with high brightness show autofluorescence, and dots represent clusters of nanocrystals (scale bar, 5 μm). Individual nanocrystals could be identified by their fluorescence intensity and intermittent, or blinking, behavior, and could be seen moving on the cell surface in a manner consistent with the active transport of labeled receptors.
Other embodiments are within the scope of the appended claims.

Claims (26)

価数制御された半導体ナノクリスタルの製造方法であって:半導体ナノクリスタルの集団を当該半導体ナノクリスタルに対して親和性を有する化合物と接触させ、化合物結合ナノクリスタルの分布を形成すること;及び、化合物結合ナノクリスタルの分布のメンバーを、それぞれのナノクリスタルに結合した化合物の数に従って分離することを含む、前記方法。   A method for producing a valence controlled semiconductor nanocrystal comprising: contacting a population of semiconductor nanocrystals with a compound having an affinity for the semiconductor nanocrystal to form a distribution of compound-bound nanocrystals; and Separating the members of the distribution of compound-bound nanocrystals according to the number of compounds bound to each nanocrystal. さらに、ナノクリスタルと正確に1個の化合物が結合した、化合物結合ナノクリスタルの分布のメンバーを単離することを含む、請求項1記載の方法。   The method of claim 1, further comprising isolating a member of the distribution of compound-bound nanocrystals wherein exactly one compound is bound to the nanocrystals. 前記化合物が、配位子を選択的に結合することができる、請求項2記載の方法。   The method of claim 2, wherein the compound is capable of selectively binding a ligand. 前記化合物が、正確に1個の配位子を選択的に結合することができる、請求項3記載の方法。   4. The method of claim 3, wherein the compound is capable of selectively binding exactly one ligand. 前記化合物が、アビジン又はストレプトアビジンである、請求項2記載の方法。   3. The method according to claim 2, wherein the compound is avidin or streptavidin. 前記化合物が、一価アビジン又は一価ストレプトアビジンである、請求項5記載の方法。   6. The method of claim 5, wherein the compound is monovalent avidin or monovalent streptavidin. 前記化合物が、ポリヒスチジンタグを含む、請求項5記載の方法。   6. The method of claim 5, wherein the compound comprises a polyhistidine tag. 前記化合物が、抗体である、請求項3記載の方法。   4. The method of claim 3, wherein the compound is an antibody. 前記化合物が、単鎖抗体である、請求項8記載の方法。   9. The method of claim 8, wherein the compound is a single chain antibody. 前記半導体ナノクリスタルが、式(I)の化合物を含む外部層を含む、請求項1記載の方法:
R1-L1-R2-L2-R3 (I)
(式中、
R1は、1つ以上の-O-、-S-、-C(O)-、-N(R4)-又は-C(O)N(R4)-で中断され;かつヒドロキシ、チオール、アミノ、窒素酸化物、ホスフィン又はホスフィンオキシドから選択される2つ以上の基によって置換された、直鎖又は分枝鎖のC1-C10アルキル、アルケニル、又はアルキニル鎖であり;
L1は、-C(O)-、-N(R4)C(O)-、-C(O)N(R4)-、-O-、-N(R4)-、-O-N(R4)C(O)-、-C(O)N(R4)-O-又は-(CR5R6)n-であり;
R2は-[(CR5R6)n-X-(CR5R6)n]m-であり、XはO、S、C(=O)又はN(R4)であり;mは、範囲0〜20の整数であり;
L2は、-C(O)-、-N(R4)C(O)-、-C(O)N(R4)-、-O-、-N(R4)-、-O-N(R4)C(O)-、-C(O)N(R4)-O-又は-(CR5R6)n-であり;
R3は、-(CR5R6)p-R7であり、R7は-COOH、-OP(O)(OH)OH、アミノ、アルキルアミノ、ジアルキルアミノ又はトリアルキルアミノであり;pは、0、1、2、3、4、5、又は6であり;
R4は、H又はC1-C6アルキルであり;
各R5及び各R6は、独立に、H、ヒドロキシ、アミノ、チオ、ニトロ、アルキルアミノ、ジアルキルアミノ、アルキル、シクロアルキル、アルケニル、アルキニル、アルコキシ、アリール及びヘテロアリールから選択され;
各nは、独立に、0、1、2、3、4、5、又は6である。)。
The method of claim 1, wherein the semiconductor nanocrystal comprises an outer layer comprising a compound of formula (I):
R 1 -L 1 -R 2 -L 2 -R 3 (I)
(Where
R 1 is interrupted by one or more of —O—, —S—, —C (O) —, —N (R 4 ) — or —C (O) N (R 4 ) —; and hydroxy, thiol A linear or branched C 1 -C 10 alkyl, alkenyl, or alkynyl chain substituted by two or more groups selected from amino, nitrogen oxides, phosphines or phosphine oxides;
L 1 is -C (O)-, -N (R 4 ) C (O)-, -C (O) N (R 4 )-, -O-, -N (R 4 )-, -ON ( R 4 ) C (O)-, -C (O) N (R 4 ) -O- or-(CR 5 R 6 ) n- ;
R 2 is-[(CR 5 R 6 ) n -X- (CR 5 R 6 ) n ] m- , X is O, S, C (= O) or N (R 4 ); An integer in the range 0-20;
L 2 is -C (O)-, -N (R 4 ) C (O)-, -C (O) N (R 4 )-, -O-, -N (R 4 )-, -ON ( R 4 ) C (O)-, -C (O) N (R 4 ) -O- or-(CR 5 R 6 ) n- ;
R 3 is — (CR 5 R 6 ) pR 7 , R 7 is —COOH, —OP (O) (OH) OH, amino, alkylamino, dialkylamino or trialkylamino; p is 0 1, 2, 3, 4, 5, or 6;
R 4 is H or C 1 -C 6 alkyl;
Each R 5 and each R 6 is independently selected from H, hydroxy, amino, thio, nitro, alkylamino, dialkylamino, alkyl, cycloalkyl, alkenyl, alkynyl, alkoxy, aryl and heteroaryl;
Each n is independently 0, 1, 2, 3, 4, 5, or 6. ).
単一粒子をイメージ化する方法であって:
親和性タグを細胞表面タンパク質に結合させること;
該細胞を、該親和性タグに対して正確に1個の結合部位を有する正確に1個の化合物と結合した価数制御された半導体ナノクリスタルを含む組成物と接触させること;及び
該細胞及び半導体ナノクリスタルを実質的に同時にイメージ化することを含む、前記方法。
A method to image a single particle:
Binding an affinity tag to a cell surface protein;
Contacting the cell with a composition comprising a valence-controlled semiconductor nanocrystal bound to exactly one compound having exactly one binding site for the affinity tag; and Imaging said semiconductor nanocrystals substantially simultaneously.
前記親和性タグが、ビオチンである、請求項11記載の方法。   12. The method according to claim 11, wherein the affinity tag is biotin. 親和性タグを細胞表面タンパク質に結合させることが、受容体ペプチド(AP)配列を含む融合タンパク質をビオチンリガーゼと接触させることを含む、請求項12記載の方法。   13. The method of claim 12, wherein binding the affinity tag to the cell surface protein comprises contacting a fusion protein comprising a receptor peptide (AP) sequence with a biotin ligase. 前記半導体ナノクリスタルが、正確に1個の一価アビジン又は正確に1個の一価ストレプトアビジンと結合する、請求項13記載の方法。   14. The method of claim 13, wherein the semiconductor nanocrystal is bound to exactly one monovalent avidin or exactly one monovalent streptavidin. 前記半導体ナノクリスタルが、式(I)の化合物を含む外部層を含む、請求項14記載の方法:
R1-L1-R2-L2-R3 (I)
(式中、
R1は、1つ以上の-O-、-S-、-C(O)-、-N(R4)-又は-C(O)N(R4)-で中断され;かつヒドロキシ、チオール、アミノ、窒素酸化物、ホスフィン又はホスフィンオキシドから選択される2つの以上基によって置換された、直鎖又は分枝鎖のC1-C10アルキル、アルケニル、又はアルキニル鎖であり;
L1は、-C(O)-、-N(R4)C(O)-、-C(O)N(R4)-、-O-、-N(R4)-、-O-N(R4)C(O)-、-C(O)N(R4)-O-又は-(CR5R6)n-であり;
R2は-[(CR5R6)n-X-(CR5R6)n]m-であり、XはO、S、C(=O)又はN(R4)であり;mは、範囲0〜20の整数であり;
L2は、-C(O)-、-N(R4)C(O)-、-C(O)N(R4)-、-O-、-N(R4)-、-O-N(R4)C(O)-、-C(O)N(R4)-O-又は-(CR5R6)n-であり;
R3は、-(CR5R6)p-R7であり、R7は-COOH、-OP(O)(OH)OH、アミノ、アルキルアミノ、ジアルキルアミノ又はトリアルキルアミノであり;pは、0、1、2、3、4、5、又は6であり;
R4は、H又はC1-C6アルキルであり;
各R5及び各R6は、独立に、H、ヒドロキシ、アミノ、チオ、ニトロ、アルキルアミノ、ジアルキルアミノ、アルキル、シクロアルキル、アルケニル、アルキニル、アルコキシ、アリール及びヘテロアリールから選択され;
各nは、独立に、0、1、2、3、4、5、又は6である。)。
15. The method of claim 14, wherein the semiconductor nanocrystal comprises an outer layer comprising a compound of formula (I):
R 1 -L 1 -R 2 -L 2 -R 3 (I)
(Where
R 1 is interrupted by one or more of —O—, —S—, —C (O) —, —N (R 4 ) — or —C (O) N (R 4 ) —; and hydroxy, thiol A linear or branched C 1 -C 10 alkyl, alkenyl, or alkynyl chain substituted by two or more groups selected from amino, nitrogen oxides, phosphines or phosphine oxides;
L 1 is -C (O)-, -N (R 4 ) C (O)-, -C (O) N (R 4 )-, -O-, -N (R 4 )-, -ON ( R 4 ) C (O)-, -C (O) N (R 4 ) -O- or-(CR 5 R 6 ) n- ;
R 2 is-[(CR 5 R 6 ) n -X- (CR 5 R 6 ) n ] m- , X is O, S, C (= O) or N (R 4 ); An integer in the range 0-20;
L 2 is -C (O)-, -N (R 4 ) C (O)-, -C (O) N (R 4 )-, -O-, -N (R 4 )-, -ON ( R 4 ) C (O)-, -C (O) N (R 4 ) -O- or-(CR 5 R 6 ) n- ;
R 3 is — (CR 5 R 6 ) pR 7 , R 7 is —COOH, —OP (O) (OH) OH, amino, alkylamino, dialkylamino or trialkylamino; p is 0 1, 2, 3, 4, 5, or 6;
R 4 is H or C 1 -C 6 alkyl;
Each R 5 and each R 6 is independently selected from H, hydroxy, amino, thio, nitro, alkylamino, dialkylamino, alkyl, cycloalkyl, alkenyl, alkynyl, alkoxy, aryl and heteroaryl;
Each n is independently 0, 1, 2, 3, 4, 5, or 6. ).
前記式(I)の化合物が下記式:
Figure 2011508793
又は下記式:
Figure 2011508793
を有する、請求項15記載の方法。
The compound of formula (I) is represented by the following formula:
Figure 2011508793
Or the following formula:
Figure 2011508793
16. The method of claim 15, comprising:
式(I)の化合物を含む外部層を含む、半導体ナノクリスタル:
R1-L1-R2-L2-R3 (I)
(式中、
R1は、1つ以上の-O-、-S-、-C(O)-、-N(R4)-又は-C(O)N(R4)-で中断され;かつヒドロキシ、チオール、アミノ、窒素酸化物、ホスフィン又はホスフィンオキシドから選択される2つの以上基によって置換された、直鎖又は分枝鎖のC1-C10アルキル、アルケニル、又はアルキニル鎖であり;
L1は、-C(O)-、-N(R4)C(O)-、-C(O)N(R4)-、-O-、-N(R4)-、-O-N(R4)C(O)-、-C(O)N(R4)-O-又は-(CR5R6)n-であり;
R2は-[(CR5R6)n-X-(CR5R6)n]m-であり、XはO、S、C(=O)又はN(R4)であり;mは、範囲0〜20の整数であり;
L2は、-C(O)-、-N(R4)C(O)-、-C(O)N(R4)-、-O-、-N(R4)-、-O-N(R4)C(O)-、-C(O)N(R4)-O-又は-(CR5R6)n-であり;
R3は、-(CR5R6)p-R7であり、R7は-COOH、-OP(O)(OH)OH、アミノ、アルキルアミノ、ジアルキルアミノ又はトリアルキルアミノであり;pは、0、1、2、3、4、5、又は6であり;
R4は、H又はC1-C6アルキルであり;
各R5及び各R6は、独立に、H、ヒドロキシ、アミノ、チオ、ニトロ、アルキルアミノ、ジアルキルアミノ、アルキル、シクロアルキル、アルケニル、アルキニル、アルコキシ、アリール及びヘテロアリールから選択され;
各nは、独立に、0、1、2、3、4、5、又は6である。)。
A semiconductor nanocrystal comprising an outer layer comprising a compound of formula (I):
R 1 -L 1 -R 2 -L 2 -R 3 (I)
(Where
R 1 is interrupted by one or more of —O—, —S—, —C (O) —, —N (R 4 ) — or —C (O) N (R 4 ) —; and hydroxy, thiol A linear or branched C 1 -C 10 alkyl, alkenyl, or alkynyl chain substituted by two or more groups selected from amino, nitrogen oxides, phosphines or phosphine oxides;
L 1 is -C (O)-, -N (R 4 ) C (O)-, -C (O) N (R 4 )-, -O-, -N (R 4 )-, -ON ( R 4 ) C (O)-, -C (O) N (R 4 ) -O- or-(CR 5 R 6 ) n- ;
R 2 is-[(CR 5 R 6 ) n -X- (CR 5 R 6 ) n ] m- , X is O, S, C (= O) or N (R 4 ); An integer in the range 0-20;
L 2 is -C (O)-, -N (R 4 ) C (O)-, -C (O) N (R 4 )-, -O-, -N (R 4 )-, -ON ( R 4 ) C (O)-, -C (O) N (R 4 ) -O- or-(CR 5 R 6 ) n- ;
R 3 is — (CR 5 R 6 ) pR 7 , R 7 is —COOH, —OP (O) (OH) OH, amino, alkylamino, dialkylamino or trialkylamino; p is 0 1, 2, 3, 4, 5, or 6;
R 4 is H or C 1 -C 6 alkyl;
Each R 5 and each R 6 is independently selected from H, hydroxy, amino, thio, nitro, alkylamino, dialkylamino, alkyl, cycloalkyl, alkenyl, alkynyl, alkoxy, aryl and heteroaryl;
Each n is independently 0, 1, 2, 3, 4, 5, or 6. ).
R1がHS-CH2CH2CH(SH)-(CH2)4-である、請求項17記載の半導体ナノクリスタル。 18. The semiconductor nanocrystal according to claim 17, wherein R 1 is HS—CH 2 CH 2 CH (SH) — (CH 2 ) 4 —. R2がポリ(アルキレンオキシド)である、請求項17記載の半導体ナノクリスタル。 R 2 is a poly (alkylene oxide), a semiconductor nanocrystal according to claim 17. R2がポリ(エチレングリコール)である、請求項19記載の半導体ナノクリスタル。 R 2 is a poly (ethylene glycol), a semiconductor nanocrystal according to claim 19, wherein. R2が式-[CH2-O-CH2]m-を有し、mは約8である、請求項17記載の半導体ナノクリスタル。 R 2 has the formula - [CH 2 -O-CH 2 ] m - have, m is about 8, the semiconductor nanocrystal according to claim 17. R3が-CH2-R7であり、R7がアミノ、アルキルアミノ、ジアルキルアミノ又はトリアルキルアミノである、請求項17記載の半導体ナノクリスタル。 18. The semiconductor nanocrystal of claim 17, wherein R 3 is —CH 2 —R 7 and R 7 is amino, alkylamino, dialkylamino or trialkylamino. R7が-COOHである、請求項17記載の半導体ナノクリスタル。 R 7 is -COOH, semiconductor nanocrystal according to claim 17. R3が-CH2COOHである、請求項17記載の半導体ナノクリスタル。 R 3 is -CH 2 COOH, semiconductor nanocrystal according to claim 17. R1がHS-CH2CH2CH(SH)-(CH2)4-であり、R2がポリ(アルキレンオキシド)であり、R7が-COOH、アミノ、アルキルアミノ、ジアルキルアミノ又はトリアルキルアミノである、請求項17記載の半導体ナノクリスタル。 R 1 is HS-CH 2 CH 2 CH ( SH) - (CH 2) 4 - a and, R 2 is poly (alkylene oxide), R 7 is -COOH, amino, alkylamino, dialkylamino or trialkyl 18. The semiconductor nanocrystal according to claim 17, which is amino. 前記化合物が下記式:
Figure 2011508793
又は下記式:
Figure 2011508793
を有する、請求項17記載の半導体ナノクリスタル。
The compound has the following formula:
Figure 2011508793
Or the following formula:
Figure 2011508793
18. The semiconductor nanocrystal according to claim 17, comprising:
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015048385A (en) * 2013-08-30 2015-03-16 国立大学法人埼玉大学 Fractionation method for composite fluorescent material and fraction of composite fluorescent material

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009082523A2 (en) * 2007-09-26 2009-07-02 Massachusetts Institute Of Technology High-resolution 3d imaging of single semiconductor nanocrystals
WO2011022338A1 (en) * 2009-08-16 2011-02-24 Massachusetts Institute Of Technology Copolymer-associated nanomaterial
WO2014014529A2 (en) * 2012-04-11 2014-01-23 Brown University Red, green, and blue lasing enabled by single-exciton gain colloidal quantum dot films
US9373931B2 (en) * 2011-05-23 2016-06-21 Brown University Red, green, and blue lasing enabled by single-exciton gain in colloidal quantum dot films
EP2698822B1 (en) * 2011-08-05 2019-11-27 Fuji Electric Co., Ltd. Semiconductor device and method for manufacturing semiconductor device
US9227846B2 (en) * 2013-02-25 2016-01-05 Evident Technologies, Inc. Purification of nanocrystals for thermoelectric, solar, and electronic applications
CN103969432B (en) * 2014-03-27 2016-02-17 中国科学院福建物质结构研究所 A kind of rare earth nano material dissolves Enhanced time resolved fluorometric immune analysis method
US11561221B2 (en) * 2018-05-02 2023-01-24 Trustees Of Boston University Dynamic tracking of captured targets for enhanced digital biosensing
US11492547B2 (en) 2020-06-04 2022-11-08 UbiQD, Inc. Low-PH nanoparticles and ligands
CZ309422B6 (en) * 2020-09-29 2022-12-28 Ústav organické chemie a biochemie AV ČR, v. v. i. Surface modified particles

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6322901B1 (en) 1997-11-13 2001-11-27 Massachusetts Institute Of Technology Highly luminescent color-selective nano-crystalline materials
US6326144B1 (en) 1998-09-18 2001-12-04 Massachusetts Institute Of Technology Biological applications of quantum dots
EP2306195A3 (en) * 1998-09-18 2012-04-25 Massachusetts Institute of Technology Biological applications of semiconductor nanocrystals
US6235540B1 (en) * 1999-03-30 2001-05-22 Coulter International Corp. Semiconductor nanoparticles for analysis of blood cell populations and methods of making same
US20020028457A1 (en) 2000-02-16 2002-03-07 Quantum Dot Corporation Single target counting assays using semiconductor nanocrystals
US20020142355A1 (en) 2000-11-14 2002-10-03 Baylor College Of Medicine Methods for the in vivo biotin labeling of polypeptides
US6576291B2 (en) 2000-12-08 2003-06-10 Massachusetts Institute Of Technology Preparation of nanocrystallites
CA2480518C (en) * 2002-03-29 2016-07-19 Massachusetts Institute Of Technology Light emitting device including semiconductor nanocrystals
US20040038307A1 (en) * 2002-05-10 2004-02-26 Engeneos, Inc. Unique recognition sequences and methods of use thereof in protein analysis
EP2336409B1 (en) 2002-08-13 2023-05-10 Massachusetts Institute of Technology Coated nanocrystal and method of preparing a coated nanocrystal
US20060057729A1 (en) * 2003-09-12 2006-03-16 Illumina, Inc. Diffraction grating-based encoded element having a substance disposed thereon
GB0321937D0 (en) * 2003-09-19 2003-10-22 Univ Liverpool Nanoparticle conjugates and method of production thereof
US7361516B2 (en) * 2004-09-24 2008-04-22 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Field of modular multifunctional ligands
WO2006050257A2 (en) * 2004-10-29 2006-05-11 Massachusetts Institute Of Tecchnology Detection of ion channel or receptor activity
US8134175B2 (en) * 2005-01-11 2012-03-13 Massachusetts Institute Of Technology Nanocrystals including III-V semiconductors
US20070105162A1 (en) 2005-10-28 2007-05-10 Massachusetts Institute Of Technology Monovalent avidin and streptavidin compositions
US8586708B2 (en) * 2005-10-28 2013-11-19 Massachusetts Institute Of Technology Monovalent streptavidin compositions
US9494593B2 (en) 2005-12-14 2016-11-15 Chung Yuan Christian University Method for separating nanoparticles with a controlled number of active groups
EP2504687B1 (en) * 2009-11-25 2017-04-05 University of Maryland, Baltimore County System for detecting metal enhanced fluorescence from metallic nanoburger structures
US9011818B2 (en) * 2009-11-30 2015-04-21 Massachusetts Institute Of Technology Materials and methods for biological imaging

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015048385A (en) * 2013-08-30 2015-03-16 国立大学法人埼玉大学 Fractionation method for composite fluorescent material and fraction of composite fluorescent material

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Publication number Publication date
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WO2009002837A1 (en) 2008-12-31
EP2165185B1 (en) 2015-08-19
EP2165185A4 (en) 2012-01-18

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